Bürgerheim Biberach

Transcription

Bürgerheim Biberach

Niedrigenergie-Quartiersentwicklung
mit innovativer Nahwärmeversorgung
Schlussbericht Teil 2
Konzeptalternativen und Bewertung
BMWi-Förderkonzept Energieeffiziente Stadt im Rahmen des 5. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung „Innovation und neue Energietechnologien“
LowEx-Quartiersentwicklung
Niedrigenergie-Quartiersentwicklung
Ein Modellvorhaben im Rahmen des
BMWi-Förderkonzepts EnEff:Stadt
SCHLUSSBERICHT TEIL 2
Förderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Referat IIIA6
Förderkennzeichen 0327400X
Laufzeit: 01.10.2011 bis 28.2.2013
Projektabwicklung:
Projektträger PTJ im Forschungszentrum Jülich
Dipl.-Ing. Jürgen Gehrmann
Dr. Stefanie Schneider
Berichtsstand April 2013
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Projektleitung, Planung, Umsetzung, Öffentlichkeitsarbeit,:
Der Hospital zum Heiligen Geist in Biberach, Biberach an der Riß
Roland Wersch, Erster Bürgermeister und Hospitalverwalter,
Kathrin Mutschler, Projektmanagerin
Wärmenetz-Analysen, Wärmenetz-Simulationen:
Knecht Ingenieure, Wilpoldsried
Dipl.-Ing. Thomas Knecht, M.A. Johannes Rougk
Optimierung der gebäudeinternen Haustechnik, Holz-KWK, Versorgungsnetz
Ebert- Ingenieure, München
Dipl.-Ing. Roland Krause
Messungen, Monitoring, Simulationen, Exergetische Untersuchungen, Bauphysik
Hochschule Biberach, Institutsleitung Prof. Koenigsdorff, Biberach an der Riß
Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff,
M. Sc. Dipl.-Ing. (FH) Meinhardt Ryba, M. Sc. Anita Hasert
Energiebilanzen und Optimierung von Systemelementen
Technische Universität Dresden, Lehrstuhl Prof. Felsmann, Dresden
Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Stefan Gnüchtel
Externes Gutachten Contracting
Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg (KEA), Karlsruhe
Dipl.-Wi.-Ing. Rüdiger Lohse
Koordination Modellvorhaben, Gesamtauswertung, Dokumentation:
@ssmann gruppe, Dortmund, Stuttgart
Dr.-Ing. Alfred Kerschberger, Dipl.-Ing. (FH) Astrid Kloos
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Zusammenstellung und Redaktion des Schlussberichts:
@ssmann gruppe, Dr.-Ing. Alfred Kerschberger, Astrid Kloos
Mit Beiträgen von
Johannes Rougk, Knecht-Ingenieure, Wilpoldsried
Roland Krause, Ebert-Ingenieure, München
Meinhard Ryba, Hochschule Biberach, Biberach an der Riß
Prof. Dr. Roland Koenigsdorff, Hochschule Biberach, Biberach an der Riß
Anita Hasert, Hochschule Biberach, Biberach an der Riß
Dr. Stefan Gnüchtel, Technische Universität, Dresden
Rüdiger Lohse, KEA Baden-Württemberg, Karlsruhe
Dr. Alfred Kerschberger, @ssmann gruppe, Dortmund, Stuttgart
Astrid Kloos, @ssmann gruppe, Dortmund, Stuttgart
Dieser Bericht umfasst den vorliegenden Textband sowie eine DVD mit Anlagen.
@ssmann gruppe
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Bürgerheim Biberach: Niedrigenergie-Quartiersentwicklung
Schlussbericht Teil 2
1.
1.1
1.2
Einleitung (@ssmann gruppe)
Das Bürgerheim Biberach
Das Förderkonzept Energieeffiziente Stadt
11
11
11
2.
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
2.4
Projektvorstellung (@ssmann gruppe)
Projektbeschreibung
Das Projekt im soziokulturellen Gesamtzielrahmen
Energie – Das nachfossile Zeitalter kommt
Gesellschaft: Integration von älteren Menschen in das Gemeinwesen
Architektur und Städtebau: Barrierefrei und gestalterisch hochwertig
Spezifische Projektziele des EnEff:Stadt Modellprojektes Bürgerheim Biberach
Systematischer Arbeitsplan
14
14
19
19
20
22
24
25
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Rückbezug auf Schlussbericht Teil 1 (Inhalte, Resultate)
Entwicklung Gebäudestandards
Absolute Gesamtbedarfswerte für die Referenzjahre 2010, 2015 und 2020
Kernergebnisse Entwicklung Wärme- und Strombedarf
Wärmenetzentwicklung 2015 und 2020
Entwicklungen von Lastgängen und Jahresdauerlinien als Basis für die
Entwicklung alternativer Energieversorgungskonzepte
28
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Entwicklung alternativer Energieversorgungskonzepte in Varianten –
Beschreibung, technisch-wirtschaftliche Bewertung und Vorauswahl
(Knecht-Ingenieure, Ebert-Ingenieure, @ssmann gruppe)
4.1
Ziele und Randbedingungen für die Entwicklung von Energieversorgungskonzepten
4.2
Variante 0 (Referenz): Gasheizung Brennwert-Kessel
4.3
Variante 1: Holzhackschnitzelheizung (HHS) mit Gas-Spitzenlastkessel,
Solarthermie
4.4
Variante 2: HHS+Gas-Spitzenlastkessel und Erdgas-BHKW
4.5
Variante 3: HHS+Gas-Spitzenlastkessel und Holz-KWK mit HHS
4.6
Variante 4: HHS+Gas-Spitzenlastkessel+Holz-KWK mit HHS und Solarthermie
4.7
Zusammenfassender Vergleich der Versorgungsvarianten
4.8
Kosten- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen unter Maßgabe einer Förderung
im BMWi-Förderkonzept „Energieeffiziente Stadt“
4.9
Zusammenfassende Gesamtbewertung der Versorgungsvarianten
4.9.1 Varianten-Gesamtbewertung
4.9.2 Bewertungsmatrix für die Vorauswahl einer Variante
33
4.
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5.
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
5.3.5
6.
6.1
6.2
6.3
6.4
7.
7.1
7.2
7.3
7.4
8.
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.1.4
8.2
Energieversorgungskonzepte in Varianten: Eignung für Contracting (KEA)
Aufgabenstellung
Grundsätzliches zum Contracting
Eigenlösung
Energieliefer- und Energieeinsparcontracting
Erfüllt das vorgelegte Konzept Mindestanforderungen um im Contracting
umgesetzt werden zu können?
Verlässlich dokumentierte Ausgangssituation
Nachvollziehbare Ansätze zur künftigen Entwicklung des Energiebedarfs
Mittelfristige Belastbarkeit der Energiebedarfsprognose
Nachvollziehbare Ziel- Primärenergiebilanz
Anforderungen an den Einsatz innovativer Technologien erzeugerseitig
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Konkrete Möglichkeiten für Contractinglösungen (@ssmann gruppe)
Sondierungen mit regionalen, auf Biomasse spezialisierten ContractingAnbietern
Hinweise Contractingberatung zu den Inhalten der Sondierungen
Verwendung von Restholz aus hospitaleigenen Wäldern für Heizung und
Stromerzeugung
Fazit Contracting
74
Exergetische Analyse – Variantenvergleich der Energieerzeugung auf
Basis der exergetischen Bewertung (Hochschule Biberach)
Grundlagen der exergetischen Analyse der Wärmeversorgung des
Bürgerheim-Areals
Ergebnisse der Exergie-Analyse im Variantenvergleich
Potenzial der arealinternen Energie & Exergie (z. B. Solarstrahlung)
Zusammenfassung und Fazit der exergetischen Bewertung
Untersuchungen zum Standort der Heizzentrale
(Knecht-Ingenieure, Ebert-Ingenieure, @ssmann gruppe, KEA)
Bürgerheim Biberach: Lage der Heizzentrale für die zukünftige Versorgung
Heizzentrale auf dem Bürgerheimareal
Neue Heizzentrale räumlich entfernt vom Bürgerheimareal, Versorgung
nur des Bürgerheimareals
Modernisierte Heizzentrale der Stadtwerke e.wa Riss in der Memelstraße,
Versorgung des Bürgerheimareals und weiterer Wärmeabnehmer
Technisch-wirtschaftliches Fazit
Wahl des Standorts der Heizzentrale - Anmerkungen aus der Sicht einer
Umsetzbarkeit im Rahmen des Contractings (KEA)
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9.
9.1
9.2
9.3
9.3.1
9.3.2
9.3.3
9.3.4
9.4
9.5
9.5.1
9.5.2
9.5.3
9.5.4
9.5.5
9.5.6
9.5.7
9.6
9.7
Weitere Optimierung des vorausgewählten Konzepts (TU Dresden)
Projektziel und Aufgabe
Grundlagen der Untersuchungen
Energiebilanzen und Brennstoffmengen
Allgemeines
Berechnungsschema
Tabellen der Zahlenwerte
Fazit
Optimierung des Nahwärmenetzes
Optimierung der Wärmeerzeuger und des Wärmespeichers
Mathematisches Modell
Verwendete Software
Durchführung der Variantenrechnungen
Ergebnisse
Optimierung der Anlagengrößen
Auswertung der Variantenrechnungen
Thermische Solaranlage versus BHKW
Zusammenfasssung zu Kapitel 9
Quellen
10.
Beschreibung der ausgewählten Lösung (Knecht-Ingenieure,
Ebert-Ingenieure, Hochschule Biberach, @ssmann gruppe)
Zusammenfassung der Analysen und Ergebnisse aus Kap. 4 bis 9,
Begründung der letztendlichen Konzeptauswahl
Detaillierte Beschreibung der gewählten Lösung
10.1
10.2
11.
12.
12.1
12.2
12.3
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13.
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Gesamtbilanzen - Klimaneutrales Heizen für ausgewählte Variante?
(@ssmann gruppe)
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Weiterführung Messungen und Verbrauchsdatenauswertungen
(Hochschule Biberach)
Gesamtmessprogramm
Wärmemengenmessungen
Messungen zum Raumklima
Stromverbrauchsanalyse zu Gebäude 9
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Grobkonzept für ein späteres Monitoring und Messkonzept
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14.
Nutzerumfrage unter Bewohner/innen und Mitarbeiter/innen
Ziele der Umfrage
Durchführung der Umfrage
Ergebnisauswertung
Fazit und Schlussfolgerungen
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160
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162
178
15.1
15.2
Thermisch-energetische Detailanalysen zur Sanierung von Gebäude 1
Wärmebrückenberechnungen
Klimaanalyse und thermisch-energetische Gebäudesimulation
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16.
16.1
16.1.1
16.1.2
16.1.3
16.1.4
16.2
Aktueller Stand der Umsetzung (@ssmann gruppe)
Gebäude 1: Umbau und Sanierung zu einem KfW-Effizienzhaus
Maßnahmen an der Gebäudehülle und Baukonstruktion
Maßnahmen an der Haustechnik
Flankierende Maßnahmen
Energetischer Standard nach Sanierung
Teilabriss Gebäude 2 und Anbau Servicecenter
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17.
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17.2
17.3
17.4
17.5
17.6
17.7
17.8
17.9
17.10
Zusammenfassung und Fazit (@ssmann gruppe)
Vorbemerkungen
Projektbeschreibung
Zielrahmen des Vorhabens
Entwicklungsperspektiven
Bestandsaufnahme und Prognose der Energiebedarfsentwicklung
Entwicklung und Bewertung von Energieversorgungskonzepten
Ist die klimaneutrale Wärmeversorgung des Bürgerheim-Areals möglich?
Begleitende Themenstellungen
Fazit und Resümee
Übergeordnetes und Ausblick
206
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206
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215
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14.1
14.2
14.3
14.4
15.
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ANLAGEN ZUM BERICHT
Inhaltsverzeichnis
A1
Technikrecherche: Entwicklungsstand und Marktsituation Holz-KWK
(Knecht-Ingenieure, Ebert-Ingenieure)
A1-1 Marktrecherche Holz Kraftwärmekopplung
A1-1.1 Dampfkraftprozess
A1-1.2 ORC (Organic Rankine Cycle)
A1-1.3 Heißluftturbine
A1-1.4 Holzgasverstromung
A1-1.5 Erste Bewertung der Holz KWK Technologien
A2
Thermisch-energetische Detailanalysen zur Sanierung von Gebäudehüllen
am Beispiel von Gebäude 1 (Hochschule Biberach)
A3
Definition und Vergleich unterschiedlicher Energiestandards von
Gebäude 4, Roter Bau (@ssmann gruppe)
A4
Vordimensionierung der Versorgungsvarianten: Energiebilanzen und
Brennstoffmengen (TU Dresden)
Energiebilanzen und Brennstoffmengen - Tabelle der Zahlenwerte
Stundenwerte einer Jahresoptimierung des Erzeugereinsatzes
Energiebilanzen, Brennstoffmengen, Einsatzzeiten und Jahreskosten –
Tabelle der Zahlenwerte für jeweils eine komplette Jahresoptimierung
Quelltexte
Dateien auf dem Datenträger
A4-1
A4-2
A4-3
A4-4
A4-5
A5
Detailausarbeitungen zum Standort Heizzentrale (Ebert-Ingenieure)
A5-1 Zusammenfassung
A5-2 Rahmenbedingungen
A5-3 Strukturierung möglicher Standorte eines Hackschnitzel-HKW
A5-3.1 Auf dem Gelände des Bürgerheims
A5-3.2 Außerhalb des Bürgerheims auf externem Gelände
A6
Voraussichtliche Jahresvollkosten Alternative 3 und 4 in einem
BMWi-Modellprojekt (Knecht-Ingenieure)
@ssmann gruppe
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A7
A7-1
A7-2
A7-3
A7-4
A7-5
A7-6
Erfahrungen mit den angewendeten Softwaretools / Planungswerkzeugen
EnerCalC (@ssmann gruppe)
Wärmebrückenberechnung (Hochschule Biberach)
Gebäudesimulation (Hochschule Biberach)
Tabellenkalkulation Microsoft EXCEL (TU Dresden)
Netz-Auslegungsprogramm STEFaN (TU Dresden)
Solver CPLEX / Modellierungssystem GAMS (TU Dresden)
A8
Ergebnisse EnEff:Stadt Bilanzierungstool (@ssmann gruppe,
Hochschule Biberach)
A9
Akzeptanzbewertung (@ssmann gruppe)
A10
A10-1
A10-2
A10-3
Messkonzept (Hochschule Biberach)
Positionsbeschreibung, Teilmesskonzept Heizzentrale
Positionsbeschreibung, Teilmesskonzept - Messung an den Gebäudegrenzen
Positionsbeschreibung, Teilmesskonzept - Einzelmessungen in Gebäuden
A11
Fragebögen Nutzerumfrage (Hochschule Biberach)
A12
Bisherige Veröffentlichungen zum Projekt
A13
Beteiligte (@ssmann gruppe)
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1. Einleitung
1.1 Das Bürgerheim Biberach
Das Bürgerheim Biberach (BB) ist eine Einrichtung der 800 Jahre alten gemeinnützigen Stiftung „Der Hospital“. Auf dem Gelände befinden sich heute 11 Gebäude mit Nutzung als Altenpflegeheime, Altenwohnungen, Einrichtungen zur Tagesbetreuung, Kinderkrippe, Schule
und Verwaltung. Das Gebäudealter differiert zwischen 3 und ca. 130 Jahren, ebenso ist die
energetische Qualität der Gebäude höchst unterschiedlich. Das Gesamtareal zwischen
Mühlweg, Königsbergallee, Waldseestraße und Rollinstraße umfasst eine Fläche von 34.000
m² und bietet Arbeitsplätze für etwa 270 Menschen. Das Bürgerheim Biberach errichtete im
Jahr 2010 / 2011 ein neues Seniorenwohnhaus / Pflegeheim mit 7.245 m2 BGF. In diesem
Zusammenhang wurde überlegt, die Nahwärme-Beheizung des gesamten BürgerheimAreals auf eine umweltschonende, moderne Heiztechnik umzustellen. Bereits in den Jahren
2004 und 2006 wurden vom Ingenieurbüro Schuler in Bietigheim dazu Untersuchungen angestellt, welche die Realisierung einer Holzheizung ggfs. mit ergänzendem BHKW zum
Thema hatten. Für den Energiebedarf und seine zukünftigen Veränderung begnügte man
sich hierbei mit einem groben Schätzwert.
Nachdem die baulichen Veränderungen der nächsten Jahre relativ genau zu fassen sind,
sollten in der Bearbeitung des Modellprojektes die energetischen Kennzahlen für jedes Gebäude möglichst auf der Basis von Verbrauchswerten erfasst werden. Weiterhin sollten die
Veränderungen der Substanz (Sanierung, Abriss oder Neubau bzw. Neuanschluss) bereits
bestehender Gebäude an das Nahwärmenetz mit untersucht werden. Im Einvernehmen mit
dem Zuwendungsempfänger wurden die drei Referenzjahre 2010, 2015 und 2020 als Zeitschnitte festgelegt. Unter Maßgabe der vom Bürgerheim Biberach festgelegten Gesamtentwicklung des Areals wurden für diese drei Zeitschnitte die zu versorgenden Wohn- und Nutzflächen der unterschiedlichen Nutzungen, sowie die Energiekennzahlen für Heizung, Warmwasserbereitung und Stromverbrauch aus den Messwerten erhoben oder/und rechnerisch
ermittelt. Damit konnte eine zukunftsorientierte Auswahl und Dimensionierung der Versorgungstechnik erfolgen.
1.2 Das Förderkonzept Energieeffiziente Stadt
Das 2007 vom Projektträger PTJ des Forschungszentrums Jülich neu aufgelegte BMWiFörderkonzept „Energieeffiziente Stadt“, kurz EnEff:Stadt“ führt die langfristig angelegten
Forschungsaktivitäten zur Verbesserung der Energieeffizienz im kommunalen und regionalen Bereich, die unter anderem auch in der bisherigen Fördermaßnahme „Lokale und regionale Energieversorgungskonzepte“ enthalten waren, fort. Die in den meisten Kommunen
bestehenden Potenziale zur Energieeinsparung sind groß und liegen bei heutigen Energiepreisen und verfügbaren Technologien, bereits vielfach im wirtschaftlich darstellbaren Bereich. Allerdings wird die Realisierung ambitionierter Projekte durch eine Reihe von Hemmnissen behindert. Viele Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung beeinflussen sich gegenseitig, einerseits durch Synergieeffekte, andererseits als konkurrierende Investitionen.
Die Wechselwirkungen sind komplex und nicht immer einfach zu analysieren. Der Betrachtungszeitraum der beteiligten Akteure differiert stark: Mieter haben beispielsweise einen anderen Blickwinkel als Eigentümer, Energieversorger einen anderen als Verwaltungen.
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Hemmnisse bei der Realisierung von Siedlungs- oder Quartiersprojekten zur Steigerung der
Energieeffizienz können überwunden werden durch
- den Einsatz innovativer Technologien
- die Nutzung moderner Managementmethoden und Planungsinstrumente
(integrale Planung)
- die Vernetzung unterschiedlicher Bereiche und Akteure
- ein methodisch überzeugendes Monitoring.
Der Schlüssel zur Steigerung der Energieeffizienz im städtebaulichen Maßstab liegt in der
Integration und Vernetzung neuer Technologien in Baukonstruktion, Haus- und Versorgungstechnik, wie
- Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung
- Niedrigexergie-Techniken
- TGA-Innovationen (Regelung, Lichttechnik etc.)
- Abwärmenutzung
- Innovative Systeme zur Wärmedämmung und Energiebewahrung
- Nutzung erneuerbarer Energien
- Nahwärmenetze, intelligente Regelungs- und Messtechnik.
Schwerpunkt der Förderinitiative ist die Umsetzung von Pilotprojekten, in denen ein Maximum an Energieeffizienzsteigerung und damit CO2-Emissionsminimierung erreicht werden
kann. FuE-Ergebnisse aus der BWMi-Energieforschung sollen dabei integriert werden.
Die wissenschaftliche Konzeption, Koordination, Auswertung und Verbreitung der Vorhabenergebnisse werden über eine Begleitforschung sichergestellt. Die Förderung bezieht sich auf
konkrete Projekte und erstreckt sich von intelligenten Planungskonzepten über den Einsatz
innovativer Technologien bis zum Messprogramm zur Betriebsoptimierung.
Drei Phasen der Vorhaben sind dabei zu unterscheiden:
1. Konzeption, Planung
2. Bauliche Realisierung, Inbetriebnahme und Betriebsoptimierung,
3. Wissenschaftliches Messprogramm über 2 Jahre
Die Projekte sollen Quartiere, die in ihrer Struktur typisch und übertragbar sind, betreffen.
Die Konzepte sollen sowohl die energetische Gebäudesanierung als auch die effiziente
Energieversorgung umfassen.
Folgende Auswahlkriterien für eine Förderzusage gelten:
- Piloteinsatz neuartiger Technologien und Verfahren
- Reduzierung Primärenergieverbrauch um mindestens 30 %
- Umsetzung eines Niedrig-Exergie-Ansatzes
- Integraler Planungsprozess
- Signalwirkung mit Verwertungs- und Multiplikationspotenzial
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Zuwendungsfähige Kosten im Bereich der Demovorhaben sind:
- Mehraufwand für die integrale Planung
- Aufwendungen für die externe wissenschaftlich – technische Begleitung
- Investitionen für den Piloteinsatz neuartiger Techniken
- Aufwendungen für forschungsbedingte Messtechnik
- Aufwendungen für die Abwicklung des Förderprojektes
Das hier vorgestellte Projekt bezieht sich zunächst nur auf Phase 1, Konzeption und Planung. Ausgehend von den Ergebnissen der Bearbeitung dieser Phase soll anschließend ein
Förderantrag für die bauliche Realisierung, Betriebsoptimierung und das Messprogramm
gestellt werden.
Der Schlussbericht, Teil 1 vom Juni 2012 bezog sich auf den ersten Teil des o.g. Konzeptionsphase-Vorhabens und stellte die Bestandsaufnahme sowie die ersten qualitativen Aussagen zu den zu untersuchenden Verbesserungsalternativen vor.
Der hier vorliegende Schlussbericht Teil 2 baut auf dem ersten Teil auf, greift in aktualisierter
Form einige Basisinformationen aus dem Vorgängerbericht auf und stellt dann im Wesentlichen die Entwicklung eines innovativen Energiekonzeptes auf der Basis von Variantendefinition, Bewertung, Auswahl und Optimierung dar. Weiterhin wird das ausgewählte Konzept auf
Contracting-Tauglichkeit untersucht und bewertet.
Beide Berichte stellen zusammengenommen eine belastbare Planungsgrundlage für die
Feinplanung und Umsetzung des Projektes dar.
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2. Projektvorstellung
2.1 Projektbeschreibung
Das Bürgerheim Biberach (BB) ist eine der ältesten Institutionen in Biberach, der Stiftung
„Der Hospital Biberach - Hospital zum Heiligen Geist“. Die Gründung des Biberacher Hospitals geht vermutlich auf das Jahr 1239 zurück, der erste urkundliche Nachweis datiert aus
dem Jahr 1258. "Der Hospital zum Heiligen Geist in Biberach" ist eine rechtsfähige kommunale Stiftung des öffentlichen Rechts mit Sitz in Biberach an der Riß. Die Stiftung dient der
freien Wohlfahrtspflege insbesondere durch Betreuung und Pflege hilfsbedürftiger Menschen
in Heimen und öffentlichen Einrichtungen, sowie durch materielle Unterstützungen. Die Hilfe
der Stiftung soll grundsätzlich subsidiär sein. Die Stiftung wird treuhänderisch von der Stadt
Biberach verwaltet.
Auf dem Areal des Bürgerheims befinden sich heute 11 Gebäude mit Nutzung als Altenpflegeheime, Altenwohnungen, Einrichtungen zur Tagesbetreuung, Kinderkrippe, Schule und
Verwaltung. Das Gebäudealter differiert zwischen 3 und ca. 130 Jahren, ebenso ist die energetische Qualität der Gebäude höchst unterschiedlich. Da unterschiedliche Bezeichnungen
der Gebäude auf dem Gelände kursieren (Bau III, Haus 2 etc.) wurde an die in den letzten
Jahren entwickelte Nummernvergabe angeknüpft. Weiterhin wurden die Hauptbaukörper
nach Bedarf auch in Gebäudeabschnitte nach Buchstaben unterteilt. Wie in der Einleitung
bereits erwähnt, liegt der erste Zeitschnitt im Jahr 2010 vor dem Neubau des Seniorenwohnhauses. Grund: Der Neubau entstand erst während der Antragstellung des Modellvorhabens.
Aus dieser Perspektive entstand die erste Bestandsaufnahme.
Bild 2-1: Schematischer Lageplan des Bürgerheim-Areals mit Bestand (dunkel) und
geplanten Neubauten (hell), Stand 2010
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Bild 2-2: Schematischer Lageplan des Bürgerheim-Areals für das Jahr 2020, Stand 2012
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Zum Bürgerheim im engeren Sinne gehören heute folgende Gebäude:
- Gebäude 1 (BB-Bezeichnung: Haus 1) bildet den zentralen Gebäudekomplex mit Pflegeheim im sog. Hochhaus Gebäudeabschnitt 1A, Eingangsbereich 1B, Speisesaal 1C, und
Küche / Wirtschaftstrakt 1D in den dazugehörigen ein- bis zweigeschossigen Trakten. Gebäude 1 wurde 1971 errichtet, außer dem Abschnitt 1D, der Küchentrakt, welcher 1989 gebaut wurde.
- Gebäude 2 (BB-Bezeichnung AWH) wurde 1989 zusammen mit dem Küchentrakt 1D errichtet. Mit 40 Appartements wird es als Altenwohnheim genutzt. Im südlichen Teil befinden
sich der Haupteingang zu Gebäude 1A, sowie ein Anbau zur Mehrzwecknutzung. Einige
Räume im EG dieses Gebäuderiegels werden von der Verwaltung genutzt.
- Gebäude 3 (BB-Bezeichnung BAW) wurde 1992 gebaut. In diesem Komplex befinden sich
30 Wohnungen.
- Gebäude 7 (BB-Bezeichnung Haus 2) ist 1985 umfassend saniert worden. Jedoch erfolgten
keine bzw. nur singuläre Maßnahmen zur Verbesserung des energetischen Standards. Als
ursprüngliches Baujahr wird 1922 angegeben. Es befinden sich 62 vollstationäre Dauerpflegeplätze in diesem Haus.
Darüber hinaus befinden sich auf dem Bürgerheim Areal folgende Gebäude, die nicht unter
direkter Administration des Bürgerheims stehen:
- Das jetzt weitgehend leerstehende Gebäude 4 (Roter Bau), im EG als Lager genutzt, ist
nicht an das Nahwärmenetz angeschlossen.
- Gebäude 5 (BB-Bezeichnung Kinderkrippe) wurde in 2002 saniert und mit einem Rundbau
erweitert. 2007 erfolgte der Anschluss an die ehemalige Heimleiterwohnung, ebenfalls
energetisch saniert, und die Umnutzung als Kleinkindbetreuung. In diesem Haus befindet
sich eine Kinderkrippe.
- Gebäude 6 (BB-Bezeichnung ZfP) wurde, wie das angrenzende Geb. 5 in 2001 saniert und
wird für die Tagesbetreuung im psychiatrischen Dienst genutzt.
- Gebäude 8 (BB-Bezeichnung Haus 3) wurde ursprünglich 1877 als Armenkrankenhaus errichtet. Nach Umbau und Erweiterung im Jahr 1971 diente es als Personal-Wohngebäude.
Zwischenzeitlich wurde das zweigeschossige Gebäude als Bauleiterbüro genutzt. Zu Haus
3 gehört auch die ehemalige Wohnung des Hausmeisters.
- Das Schulgebäude, Gebäude 17 (BB-Bezeichnung KBZO), wurde 2007 errichtet und hat
eine eigene Erdgas-Heizanlage.
- Auch Gebäude 18, ein Zweifamilienwohnhaus aus den 60er Jahren, hat eine eigene Wärmeversorgung.
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Bild 2-3: Blick auf das Bürgerheim-Areal: Links unten die Grundschule, in der Mitte Geb. 1
mit dem Hochhaus, dahinter ist der Neubau des Seniorenwohnhauses Geb. 9 zu erkennen
Seit Jahresanfang 2010 (Zeitschnitt der Bestandsaufnahme) gab es folgende Veränderungen:
- Im Jahr 2010/2011 wurde ein Seniorenwohnhaus mit rund 7.245 m2 BGF errichtet (Gebäude Nr. 9). Die Nutzung ist eher pflegeheimspezifisch, die Seniorinnen und Senioren wohnen
jedoch in familienähnlichen Wohngruppen bzw. Wohngemeinschaften mit Betreuung.
- Nach der Fertigstellung von Gebäude 9 konnten die Bewohner des Pflegeheims in Geb. 1
in den Neubau einziehen und Gebäude 1 war anschließend zur Sanierung frei.
Folgende weitere Veränderungen stehen nach Angaben des Bürgerheim Biberachs in den
nächsten Jahren bis 2020 an:
- Noch im Jahr 2013 wird die Sanierung von Gebäude 1 abgeschlossen und das Haus wird
wieder bezogen.
- Bis zum Jahr 2015 wird das jetzt weitgehend leerstehende Gebäude Nr. 4 (Roter Bau) saniert sein, als Büro- und Wohngebäude genutzt werden und an das Nahwärmenetz angeschlossen sein. Allerdings ist es aufgrund des schlechten Erhaltungszustandes auch denkbar, dass ein Abriss des Hauses erfolgt.
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- Bis zum Jahr 2020 werden Gebäude 7 und 8 abgerissen, um Platz für Neubauten zu schaffen. Geplant sind vier neue Gebäude mit Angeboten für seniorengerechtes Wohnen (Gebäude 10, 11, 13 und 14). Alle Neubauten sind im Jahr 2020 in Betrieb und in das Nahwärmenetz eingegliedert.
- Weiterhin wird bis zum Jahr 2020 das Schulgebäude, Gebäude 17 (BB-Bezeichnung
KBZO), welches 2007 in Betrieb ging, an das Nahwärmenetz angeschlossen.
- Auch Gebäude 18, ein Zweifamilienwohnhaus aus den 60er Jahren, soll bis zum Jahr 2020
eventuell an das Nahwärmenetz angeschlossen sein.
Die gesamte beheizte Nettogrundfläche (NGF) betrug zum Zeitpunkt der Bestandsaufnahme
Anfang 2010 etwa 17.500 m2. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichtes sind es 24.200
m2 (einschließlich Gebäude 1, 7 und 8). Bis 2020 wird sich die NGF voraussichtlich auf etwa
26.200 m2 erhöhen. Es ist expliziter Wunsch der Stiftungsverwaltung, dass sowohl für die
Sanierungen als auch für die Neubauten energetisch ambitionierte Standards realisiert werden, was einem Niedrigenergie-Gesamtkonzept entgegen kommt.
Im Rahmen einer energieeffizienten Quartiersentwicklung soll auch das Nahwärmenetz des
Bürgerheims, das zurzeit mit zwei großen Gaskesseln versorgt wird, modernisiert und energetisch optimiert werden. Die Wärmeerzeugung soll dabei möglichst weitgehend auf regenerative Energien umgestellt werden. Ein Wunschziel des Bürgerheims ist es, zumindest für
den Bereich Heizung und Warmwasserbereitung eine bilanzielle CO2-Emissionsfreiheit zu
erreichen.
Die Stiftung „Der Hospital“ hat mit 1.700 Hektar einen umfangreichen Waldbestand in ihrem
Besitz. Allein das Abfallholz aus diesen bewirtschafteten Waldflächen würde zur Wärmeversorgung des Bürgerheims ausreichen. Das bei der Verbrennung von Holz anfallende hohe
Temperaturniveau wird exergetisch nicht optimal eingesetzt, wenn es nur zur Niedertemperatur-Wärmeversorgung der Raumheizung benutzt wird. Gleichzeitig ermöglicht eine hohe
ganzjährige Grundlast im Wärmebedarf den wirtschaftlichen Einsatz von Anlagen zur KraftWärme-Kopplung. Deshalb geht die Stoßrichtung der Planung hin zur exergetischen Optimierung durch den Einsatz von Holz als Energieträger in einem KWK-System, das gleichzeitig die Wärme-Grundlast abdeckt. Welche Technologie dabei gewählt wird bzw. ob dieser
Grundgedanke in praktikabler Form umsetzbar ist, ist ein zentrales Thema der Konzeptphase.
In Abstimmung mit dem Bürgerheim Biberach sollen die Ziele eines Energieversorgungskonzeptes (EVK) in folgenden Bereichen liegen:
- Geringe Heizkosten und gute, bzw. tragbare Wirtschaftlichkeit
- Möglichst weitgehender Einsatz von regenerativen Energieträgern
- Erhöhung der Versorgungssicherheit
- Verbesserung der Umweltwirkungen
- Untersuchung auf Möglichkeiten für Contracting-Lösungen
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Bild 2-4: Lageplan des Bürgerheimareals, Stadtplanungsamt Biberach 2011
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2.2 Das Projekt im soziokulturellen Gesamtzielrahmen
2.2.1 Energie – Das nachfossile Zeitalter kommt
Unsere technikgeprägte Gesellschaft steht am Beginn einer dramatischen Umbruchphase, in
der die fossilen Energieträger nach und nach ersetzt werden müssen. Die Energieversorgung der Zukunft wird mehr und mehr auf regenerativen Energieträgern beruhen. Dabei wird
es darum gehen, einerseits aus den verfügbaren regenerativen Energieträgern „das Meiste
herauszuholen“, also den Energieträger Holz beispielsweise nicht nur zur Wärme- sondern
auch zur Stromerzeugung zu nutzen (Exergieoptimierung). Andererseits müssen gut funktionierende Modelle gefunden werden, die es ermöglichen, dass sich unterschiedliche regenerative Energieträger (RE) gegenseitig synergetisch unterstützen. Dabei sollte man zwischen
direkten und indirekten regenerativen Energieträgern unterscheiden:
Kostenlose direkte regenerative Energien kommen direkt aus der Natur: Windkraft, Wasserkraft, Sonnenenergie, Erdwärme oder -kühle. Vor allem die Sonnenenergie ist für den Einsatz in Gebäuden direkt geeignet, während Windkraft und Wasserkraft eher im Bereich der
Kraftwerke bzw. Versorgungstechnik anzusiedeln sind. Sonnenenergie ist einerseits unerschöpflich, andererseits liegt sie nur in geringer „Flächendichte“ vor und ist außerdem
schlecht transportierbar. Bei den kostenlosen RE muss man leider davon ausgehen, dass
häufig keine bedarfsgerechte Energiebereitstellung gegeben ist, sondern eine zeitlich versetzte. Die Zeitdifferenz zwischen Angebot und Nachfrage wird durch Speicherung überbrückt, was nur bis zu einer gewissen Dauer gut funktioniert. Besonders gut erkennbar wird
dies beim Vergleich von kostengünstigen Kurzzeitspeichern zur solaren Warmwasserbereitung mit aufwendigen solaren Großspeichern zur saisonalen Speicherung.
Als indirekte regenerative Energieträger gelten Energieträger, die durch - ggfs. auch mehrfache - Umwandlung aus direkten regenerativen Energieträgern entstehen, während die atomar-fossilen Energieträger nach ihrer Verwendung verbraucht sind. (Beispiel einer mehrfachen Umwandlung: Sonnenenergie  Energiepflanzen  Biogas  Strom und Wärme).
Heute gehören vor allem Holz und Holzabfälle, Energiepflanzen wie Mais oder Schilfgras,
Pflanzenöle wie Palmöl und Rapsöl sowie aus Bioabfällen und Energiepflanzen erzeugtes
Biogas zu dieser Gruppe. Falls die aktuell in Entwicklung befindliche Technik der synthetischen Methanerzeugung mithilfe von Sonnenstrom zum Erfolg führt, wäre dies ein weiterer,
indirekt regenerativer Energieträger.
Indirekte regenerative Energieträger besitzen recht hohe Energiedichten und sind leicht zu
speichern und zu transportieren. Ihr Nachteil: Sie stehen nur in begrenztem Umfang zur Verfügung. Würde man z.B. das gesamte Biomassepotential der BRD nutzen, könnte man damit
nach unterschiedlichen Autorenaussagen zwischen 20 und 50 % des Wärmebedarfs unserer
Wohngebäude decken. Eine umfassende Studie aus dem Jahr 2002 beziffert das Potenzial
der Biomasse auf ca. 1200 PJ/a. Gemessen am deutschen Gesamtprimärenergieverbrauch
sind das etwa 8 % als technisch möglicher Anteil [2-1]. Die Zahlen wurden in einer weiteren
Studie im Jahr 2007 in ihrer Größenordnung bestätigt [2-2].
Die volkswirtschaftlich richtige Versorgungsstrategie wäre daher, zunächst die direkten regenerativen soweit möglich und sinnvoll entsprechend Angebots- und Nachfrageverteilung zu
nutzen und „Lücken“ mit indirekten regenerativen Energieträgern aufzufüllen. Was dann
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noch an Bedarf trotz vorheriger Bedarfsminimierung übrigbleibt, muss mit konventionellen
Energieträgern effizient abgedeckt werden.
Mit einer Kombination von Holzhackschnitzelheizung, Holz-Kraft-Wärme-Kopplung,
Solarthermie, Photovoltaik und Restdeckung durch Erdgas kann das Modellvorhaben Bürgerheim Biberach zu diesen Zielstellungen einen relevanten, zukunftsorientierten Beitrag
leisten.
Tab. 2-1: Biomassepotenziale in Deutschland [2-2]. Einschließlich des möglicherweise zusätzlich aktivierbaren Potenzials ergeben sich 940 bis 1240 PJ pro Jahr. Dies entspricht rund 8 %
des gesamten Primärenergieverbrauchs, oder rund 35 % des Endenergieverbrauchs für Raumheizung und Warmwasser, bei einer konservativ geschätzten Ausnutzung des Primärenergieinhalts der Biomasse von 50%. (Bezug Jahr 2007)
2.2.2 Gesellschaft: Integration von älteren Menschen in das Gemeinwesen
Die Bevölkerungszahl in Deutschland, die bereits seit 2003 rückläufig ist, wird laut amtlichen
Angaben (11. Bevölkerungsvorausberechnung für Deutschland, Herausgeber: Statistisches
Bundesamt, 2006) bei Fortsetzung der aktuellen demografischen Entwicklung von fast 82,5
Millionen im Jahr 2005 auf 74 bis knapp 69 Millionen im Jahr 2050 abnehmen. Die Zahl der
ab 65-Jährigen steigt bis zum Ende der 2030er Jahre etwa um die Hälfte: von aktuell knapp
16 Millionen auf circa 24 Millionen. Danach wird sie leicht zurückgehen. Die Bevölkerung ab
80 Jahren nimmt unablässig zu: von knapp 4 Millionen im Jahr 2005 auf 10 Millionen im Jahr
2050. Dann werden mehr als 40 % der über 65-Jährigen mindestens 80 Jahre alt sein. Im
Jahr 2030 wird dieser Altenanteil bei 50 beziehungsweise 52% und im Jahr 2050 bei 60 beziehungsweise 64% liegen. Die seit langen Jahrzehnten zur Gewohnheit gewordene Praxis,
alte Menschen gesellschaftlich zu separieren bzw. sie in ausgegrenzten Einrichtungen zusammenzubringen, macht auf der Basis obiger Entwicklungsszenarien keinen Sinn mehr,
denn alte Menschen werden ein zunehmend größerer und relevanterer Teil der Gesellschaft.
Die sozialethische Problematik des „Wegsperrens“ der Alten wollen wir hier nicht diskutieren,
sie soll aber zumindest als Thema benannt werden.
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Das Bürgerheim Biberach hat sich zum Ziel gesetzt, alte Menschen verantwortungsvoll in die
Gesamtgesellschaft zu integrieren und strebt deshalb eine weitgehende Nutzungsmischung
auf dem Bürgerheimareal an bzw. hat diese zu großen Teilen schon realisiert. Wohnheime,
betreute Altenwohnungen, öffentliche Restaurants, Büros, Wohnungen, ein Kindergarten,
eine Grundschule und eine Tagesklinik sind auf dem Areal vertreten. Die Wohnform in familienähnlichen Wohngruppen, wie sie im neuen Seniorenwohnheim praktiziert wird, bringt den
älteren Menschen ein kommunikatives und selbstbestimmtes Leben in der Gemeinschaft
zurück.
Bild 2-5: Man fühlt sich wohl im Bürgerheim Biberach. Harmonisches Leben in der eigenen
Wohnung oder der Wohngruppe als Familie im Alter
Bild 2-6: Gruppen-Wohnzimmer und Betreuungsangebot im neu errichteten Gebäude 9
(www.buergerheim-biberach.de)
Unter anderem aufgrund dieser Zielsetzungen und Aktivitäten wurde das Management des
Bürgerheims im Herbst 2011 mit dem ALTENHEIM- Zukunftspreis der Zeitschrift ALTENHEIM (Vincentz Network) ausgezeichnet, der einmal jährlich vergeben wird. Die Auszeichnung würdigt nachahmenswerte Projekte und Initiativen von Verantwortungsträgern in der
Altenhilfe, gibt diesen Projekten in der stationären Altenhilfe Raum und verschafft ihnen eine
öffentliche Plattform. Der Altenheim Zukunftspreis wirkt so als Best-Practice-Beispiel (Quelle:
buergerheim-biberach.de).
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Bild 2-7: Links: Leitbild des Bürgerheim Biberach (www.buergerheim-biberach.de).
Rechts: Leiter Christian Schultz mit der Urkunde zum Altenheim-Zukunftspreis 2011
2.2.3 Architektur und Städtebau: Barrierefrei und gestalterisch hochwertig
Auch im architektonisch-städtebaulichen Bereich hat sich die Stiftung „Der Hospital“ ehrgeizige Ziele gesetzt, die eine qualitätsvolle Lebens- und Arbeitsumgebung mit Transparenz,
Kommunikation, Sicherheit und Gesundheitsfürsorge verbinden.
- Das 2010 errichtete Gebäude 9 mit 6 betreuten Wohngruppen älterer Menschen zeigt moderne, nutzungsgerechte, gestalterisch hervorragende Architektur.
Bild 2-8: Das 2010 errichtete Gebäude 9 führt architektonischen Anspruch und zukunftsorientiertes Wohnen älterer Menschen in Wohngruppen zusammen
- Für die Sanierung des zentralen Baukomplexes „Gebäude 1“ wurde 2010 ein Architektenwettbewerb ausgeschrieben, an dem sich zahlreiche, kompetente Architekturbüros beteiligten. An der Preisgerichtssitzung nahmen auch Vertreter des Modellprojektes teil, da schon
bei der Entwurfsauswahl energetische Belange mit berücksichtigt werden sollten. Das im
Bau von Heimkomplexen erfahrene Stuttgarter Architekturbüro „Werkgemeinschaft HHK“
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wurde schließlich mit dem 1. Platz ausgezeichnet und mit der Entwurfs- und Ausführungsplanung für den umfassenden Umbau beauftragt. Durch die Hospitalverwaltung konnte zusammen mit den Planern und Modellprojektbeteiligten dabei eine energetische Qualität implementiert werden, welche die sog. KfW55-Effizienzhauskriterien erfüllt. Die Sanierung ist
(mit etwas Verzögerung gegenüber den geplanten Terminen) zurzeit in vollem Gange und
wird voraussichtlich noch 2013 abgeschlossen (siehe auch Kap. 16, Aktueller Stand der Umsetzung).
Bild 2-9: Erster Platz im Architektenwettbewerb 2010: KfW 55-Sanierung des zentralen
Gebäude 1
Bild 2-10: Der preisgekrönte Wettbewerbsentwurf im Oktober 2010 und die Baustelle im Februar 2013
- Gebäude 4 (Roter Bau): Ideenwettbewerb Nutzung
Der Rote Bau ist ein unter Denkmalschutz stehendes, ursprünglich als Krankenhaus errichtetes Gebäude. Die historisch prägnante Architektur wird leider konterkariert durch einen
schlechten Erhaltungszustand des Gebäudes. Hospitalverwalter Roland Wersch, Hospitalrat
und Gemeinderat haben 2012 mit einem Ideenwettbewerb den Bürgern der Stadt die Möglichkeit geben, sich aktiv an den Überlegungen zur Zukunft des „Roten Baus“ zu beteiligen.
Die bis Ende Juni 2012 an den Hospital schriftlich eingereichten Vorschläge wurden gesammelt, auf ihre Umsetzbarkeit geprüft und dem Hospitalrat zur Bewertung vorgelegt. Grundsätzliche Voraussetzung war dabei: Die Nutzungsidee darf die Einrichtungen in der Nähe
des „Roten Baus“ nicht belasten, denn in direkter Nachbarschaft des „Roten Baus“ leben in
betreuten Seniorenwohnungen und im Bürgerheim ältere, hilfebedürftige Menschen, deren
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Bedürfnisse berücksichtigt werden müssen. Aktuell befindet man sich in der Diskussion mit
der Denkmalschutzbehörde, um zu klären, inwieweit das Gebäude innen (z.B. in den Grundrissen) verändert werden darf. Weiterhin gibt es Überlegungen, den „Roten Bau“ in ein förmliches Sanierungsgebiet einzubeziehen. Auch ein Abriss ist aus heutiger Sicht nicht auszuschließen.
Bild 2-11: Gebäude 4 „Roter Bau“: Historisch prägnante Architektur in schlechtem Erhaltungszustand
- Städtebaulicher Wettbewerb Areal Bürgerheim Biberach
Noch im Jahr 2013 findet ein städtebaulicher Wettbewerb mit eintägigem Diskussionsworkshop statt. Thema ist die „Überplanung des Gesamtareals mit dem Ziel, weitere bauliche
Möglichkeiten und räumliche Bezüge auf dem Areal zu entwickeln. Die Schwerpunkte der zu
beteiligenden Stadtplanungsbüros bei der Planung werden bei der städtebaulichen Neuordnung des Areals, den zukünftigen neuen Nutzungen innerhalb des Quartiers, der Erschließung des Quartiers, weiterer Parkierungslösungen und der Neugestaltung der Grünstruktur
liegen."
2.3 Spezifische Projektziele des EnEff:Stadt-Modellprojektes Bürgerheim Biberach
Konkret werden mit dem Modellvorhaben Bürgerheim Biberach folgende Ziele verfolgt:
- Bedarfsseitige Optimierung, d.h. möglichst weitgehende Verringerung im Wärme- und
Stromverbrauch der Gebäude des Projektgebietes
- Primärenergetisch und exergetisch optimiertes Versorgungssystem
- Hocheffiziente Wärmeversorgung unter Beachtung exergetischer Optimierung, Integration
regenerativer Energien
- Intensive Untersuchung der Möglichkeiten und Risiken einer Kraft-Wärme-Kopplung (im
Bereich 50 - 200 kW thermisch) mit Holz als Energieträger
- Reduzierung Primärenergieeinsatz und CO2-Emissionen um deutlich mehr als 50 %.
- Nutzerinformation und -motivation
- Integraler Planungsprozess
- Anwendung innovativer Planungswerkzeuge
- Hohes Weiterverwertungs- und Multiplikationspotential
- Überlegungen zur Realisierung der favorisierten Konzepte in einer Contractinglösung
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2.4 Systematischer Arbeitsplan
Das EnEff:Stadt-Modellvorhaben bezieht sich auf die „Phase 1“ der Förderkonzept-Projektgliederung und umfasst lediglich die konzeptionellen Schritte. Folglich beschränken sich
auch die Projekt-Arbeitspakete auf diesen Bereich. In Anschlussprojekten soll voraussichtlich
auch die Realisierung und das Monitoring gefördert und wissenschaftlich begleitet werden.
Für die Phase 1 „Konzeptionsphase“ wurden folgende Arbeitsschritte festgelegt:
Ausgehend von einer Bestandserfassung der heutigen Gebäude sollte ein städtebauliches
Konzept erstellt werden, welches die kommenden Änderungen (Sanierungen, Rückbau,
Neubau) und deren Anschluss an das Wärmenetz erfasst. Die zum Projekt gehörenden Gebäude sollten identifiziert und in ihren Flächen, ihrer Nutzung und ihren energetischen Standards beschrieben werden. In der Summe sollten sich Gesamtleistungen und Gesamtenergiebedarfswerte für das Projektgebiet ergeben, aus denen über die Gewichtung der Nutzungsanteile die Jahresdauerlinien des Wärmebedarfs erzeugt werden können. Parallel dazu
ging es darum, die zu untersuchenden Versorgungskonzept-Alternativen abzustimmen, welche den Zielstellungen des Förderprogramms gleichermaßen gerecht werden, wie den betriebswirtschaftlichen Aspekten des Bauherrn. Dabei sollte auf Grundlage des Waldbesitzes
des Hospitals die Holznutzung eine tragende Rolle übernehmen. Sodann ergab sich die Aufgabe, die Konzeptalternativen zu beschreiben und zu bewerten. Als Ergebnis dieser Arbeitsschritte wird eine Zusammenstellung der jeweiligen Alternativen vorgestellt. In der zweiten
Arbeitsphase erfolgte die Untersuchung auf Vor- und Nachteile, eine Wirtschaftlichkeitsbewertung und CO2-bezogene Bewertung, ein Ranking der Alternativen und die Zusammenstellung von Handlungsempfehlungen. Auf der Grundlage der Simulationen und Bewertungen wurde dann das weiter zu verfolgende „Hauptkonzeptes“ bestimmt.
Im Folgenden wird die geplante Gesamtstruktur des Vorhabens stichwortartig vorgestellt.
Nicht alle Aktivitäten konnten aufgrund abweichender Entwicklungen bisher durchgeführt
werden, dafür kamen andere hinzu, die zu Beginn nicht relevant erschienen.
Bestandsaufnahmen
- Detaillierte Bestandsaufnahme Gebäude im Ist-Zustand
- Detaillierte Bestandsaufnahme Versorgungsnetz und Wärmeerzeugung im Ist-Zustand
- Detaillierte Bestandsaufnahme Zähleranordnung und Zählerhierarchie im Ist-Zustand
Optimierung Bedarfsseite
- Energie- und Sanierungskonzepte für die unterschiedlichen Nutzungen und Gebäudetypen
mit Einsparberechnungen, Kosten, Wirtschaftlichkeitsrechnungen. Optimierungsbetrachtungen. Dabei jeweils eine Analyse der unterschiedlichen Alternativen.
- Planerische Untersuchung des Einsatzes konkreter innovativer Maßnahmen anhand aktueller Ergebnisse des EnOB-Programmes, wie:
-- Einsatz von Vakuumverglasungen
-- Einsatz hochwertiger Rahmenkonstruktionen mit schlanken Profilquerschnitten
-- Einsatz von Vakuumisolationstechnik in räumlich beengten Anwendungsbereichen
- Betrachtungen zum Verbund der Bedarfsseite. Identifizierung der parameterbestimmenden
„bottlenecks“. Untersuchungen zu notwendigen / möglichen Verbesserungen der parameterbestimmenden Verbrauchseinheiten, um eine bessere Gesamtperformance zu erreichen.
- Technische Konzepte, Vorplanungslösungen, Planungsbegleitung, Planerberatung
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Optimierung Wärmenetz
- Untersuchung des vorhandenen Wärmenetzes und seiner Komponenten, Bestandsaufnahme und Zustandsanalyse
- Erstellung von Lastlinien und Jahresdauerlinien auf der Basis der energetischen Gebäudestandards und Nutzungsarten
- Dimensionierung Bedarfsszenario für verschiedene Ausbauzustände des Areals abhängig
von erwarteten Anschlussquoten und Bedarfswerten, ggfs. in Alternativen.
- Berechnungen, ggfs. Simulationen, zur Identifizierung von Problemstellen und zur hydraulischen Optimierung, ggfs. zu Netzänderungen oder -erweiterungen
- Verbesserung Netzkomponenten, Pumpen, Steuer- und Regeltechnik, Wärmedämmung
etc.
- Optimierung aller Komponenten sowie Temperatur- und Leistungswerte des Versorgungssystems unter Beachtung der Toleranz gegenüber von den Prognosen abweichenden Entwicklungen.
- Berechnungen zur Optimierung der Netzgestaltung (Strukturoptimierung), Anordnung der
Wärmeerzeugung, Optimierung der Betriebsweise (Systemtemperaturen, Hilfsenergieeinsatz).
- Jahressimulationen zur dezentralen Einspeisung von Niedertemperaturwärme
Optimierung Wärmeerzeugung
- Vertiefte Untersuchung der Wärmeerzeugungs-Alternativen mit Schwerpunkt auf Niedrigexergie, regenerative Energien, Kraft-Wärme-Kopplung, CO2-Emissionsverminderung, Primärenergieeinsparung. Ggfs. Veränderung, Anpassung und Optimierung der bereits vorliegenden skizzierten Alternativen.
- Intensive Betrachtung der Chancen, Risiken und Restriktionen von innovativen KWKTechnologien mit dem Energieträger (Rest-)Holz. Produkt- und Technologierecherchen.
Bewertung der Umsetzbarkeit
- Untersuchung der Einspeisemöglichkeiten zusätzlicher regenerativer Versorger: z.B. Solarwärme
- Untersuchung zum optimalen Standort der Wärmeerzeugung (ggfs. auch außerhalb des
Quartiers)
- Untersuchung der Sinnhaftigkeit, Möglichkeiten und Einschränkungen einer
Contractorlösung
Planungswerkzeuge
- Einsatz spezifischer Software für die Optimierung der Planung, z.B. Programme zur KWKOptimierung, Software und Berechnungsmethoden zur hydraulischen und / oder energetischen Netzuntersuchung und –optimierung.
- Thermisch-energetische Detailanalysen zur Sanierung von Gebäudehüllen
Gesamtbilanzen
- Energetische Bilanzierung
- CO2-Emissionsbilanzierung
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
- Exergetische Analysen
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Organisatorisches
- Organisation eines gut funktionierenden Wissensmanagements für die integrale Planung
- Nutzerinformation und –motivation, zusammen mit paralleler oder vorlaufender energetischer Sanierung oder Neubau, zur Hebung des Potentials „Nutzerverhalten“
- Öffentlichkeitsarbeit im Förderkonzept, im kommunalen Rahmen, in der Fachwelt, in der
breiteren Öffentlichkeit. Pressearbeit, Konferenzbeiträge etc.
Messungen Konzeptphase
- Vertiefende Analysen des energetischen Ist-Zustandes als baseline für die Konzeptentwicklung und -optimierung
- Entwurf Messkonzept für ein Monitoring
- Nutzerbefragungen
Literatur zu Kap. 2
[2-1] M. Kaltschmitt, H. Hartmann, H. Hofbauer (Hrsg.): Energie aus Biomasse. Grundlagen,
Techniken und Verfahren. 2009. Springer Verlag, Heidelberg, ISBN: 978-3-540-85094-6
[2-2] A. Aretz, B. Hirschl: Biomassepotenziale in Deutschland – Übersicht maßgeblicher Studienergebnisse und Gegenüberstellung der Methoden. Dendrom-Diskussionspapier Nr. 1,
März 2007. www.dendrom.de].
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3. Rückbezug auf Schlussbericht Teil 1 (Inhalte, Resultate)
3.1 Entwicklung Gebäudestandards
Die energetischen Standards aller betroffenen Gebäude und ihre Entwicklung 2010, 2015
und 2020 sind ausführlich in Schlussbericht Teil 1, Kap. 3 und Kap. 7 dargestellt, ebenso wie
die jeweiligen Maßnahmenbündel zur Sanierung. Im Folgenden sind deshalb lediglich die
energetischen Basiskennwerte für den Endenergieverbrauch Wärme in kWh/m2a (Gesamtwärmeverbrauch für Heizung und Warmwasser am Gebäudeeingang) und Stromverbrauch
in kWh/m2a summarisch, jeweils bezogen auf die beheizte Nettofläche, zusammengestellt.
Details dazu finden sich in Schlussbericht Teil 1, Kap. 7.2.
Gebäude
Geb 1 A+B
Geb.1 C+D
Geb 1 ges.
Geb 2
Geb 3
Geb 4*
Geb 5
Geb 6
Geb 7
Geb 8
Geb. 9
Geb. 10
Geb. 11
Geb. 13
Geb. 14
beh. NGF
Gesamtwärmeverbrauch
2010
2015
2020
m²
3.496,06
1.092,10
4.588,16
2.749,60
1.913,80
1.713,60
1.327,50
714,20
1.908,10
502,60
6.318,98
1.120,20
1.120,20
1.120,20
1.120,20
kWh/m²a
140,80
272,70
172,19
111,80
125,10
213,80
100,70
100,70
198,30
261,40
-----76,50
273,18
kWh/m²a
82,86
221,63
110,13
111,80
125,10
140,00
100,70
100,70
--91,78
----76,50
273,18
kWh/m²a
82,86
221,63
110,13
111,80
125,10
140,00
100,70
100,70
--91,78
82,86
82,86
82,86
82,86
76,50
130,00
Geb 17 *
1.908,30
Geb 18 *
197,80
*Gebäude ohne Wärmenetzanschluss bis 2015 bzw. 2020
Tab. 3-1: Entwicklung der Kennwerte Gesamtwärmeverbrauch (Heizung und Trinkwarmwasser)
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Gebäude
Geb 1 A+B
Geb.1 C+D
Geb 1 ges.
Geb 2
Geb 3
Geb 4*
Geb 5
Geb 6
Geb 7
Geb 8
Geb. 9
Geb. 10
Geb. 11
Geb. 13
Geb. 14
beh. NGF
Gesamtstromverbrauch
2010
2015
2020
m²
3.496,06
1.092,10
4.588,16
2.749,60
1.913,80
1.713,60
1.327,50
714,20
1.908,10
502,60
6.318,98
1.120,20
1.120,20
1.120,20
1.120,20
kWh/m²a
Nur gesamt
Nur gesamt
72,70
58,70
49,10
1,90
19,00
k.A.
26,70
10,20
-----17,20
k.A.
kWh/m²a
kWh/m²a
72,70
58,70
49,10
27,00
19,00
30,00
--98,39
----17,20
30,00
72,70
58,70
49,10
27,00
19,00
30,00
--98,39
30,00
30,00
30,00
30,00
17,20
30,00
Geb 17 *
1.908,30
Geb 18 *
197,80
*Gebäude ohne Wärmenetzanschluss bis 2015 bzw. 2020
Tab. 3-2: Entwicklung der Kennwerte Gesamtstromverbrauch
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3.2 Absolute Gesamtbedarfswerte für die Referenzjahre 2010, 2015 und 2020
Bild 3-1: Lageplan 2010
Der Bestimmung des zukünftigen Wärmeenergiebedarfs in den Jahren 2015 und 2020 liegt
folgende Logik zugrunde: Für das Jahr 2010 und mehrere weiter zurückliegende Jahre wurde der Wärmeverbrauch jedes Gebäudes über gemessene Werte bestimmt, soweit möglich.
Ebenso wurden die Endenergie-Wärmebedarfswerte jedes Gebäudes (Schnittstelle Gebäudeübergabe) berechnet. Die Abweichung von klimabereinigten Messwerten zu Rechenwerten ergab einen gebäudespezifischen Korrekturfaktor, der auf die Rechenwerte für 2015 und
2020 übertragen wurde, in der Annahme, dass rechnerische Abweichungen von der Realität
mehr oder weniger auch auf veränderte Zustände durchschlagen. Die Aufaddierung sämtlicher Lastwerte für Heizung und Warmwasser ermöglicht unter Maßgabe eines Nutzungsprofiles jedes Gebäudes die Bestimmung der Jahresdauerlinie für Wärme. Für den Stromverbrauch wurden Messwerte, soweit plausibel, auf die Zukunft übertragen, ansonsten wurde
hier mit Benchmarkwerten des BMVBS gearbeitet. Mit den in Kap. 3 des Schlussberichts
Teil 1 dargestellten energetischen Standards ergeben sich folgende Gesamt-Energiekennzahlen.
Jahr
2010
2015
2020
Nutzfläche netzverbundener Ge- Gesamtwärme Heizwärme in TWW-Wärme Strom in
bäude in m2
in kWh/a
kWh/a
in kWh/a
kWh/a
13.704
2.154.830
1.857.260
297.570 701.903
19.655
2.219.170
1.626.140
593.030 1.347.803
26.242
2.789.310
2.028.870
760.440 1.520.984
Tab. 3-3: Jährlicher Endenergiebedarf der an das Wärmenetz angeschlossenen Gebäude (bei
Wärme einschl. Netzverluste von 5% ohne Erzeugerverluste, bei Strom einschl. Stromverbrauch Heizzentrale)
Der absolute Heizwärmebedarf nimmt von 2010 bis 2015 um moderate 3% zu. Wenn man
das Jahr 2010 hingegen mit 2020 vergleicht, beträgt der Anstieg mit 634.480 kWh/a fast ein
Drittel. Betrachtet man den absoluten Endenergiebedarf an Heizwärme und Warmwasserbereitung getrennt, ergeben sich folgende konträre Entwicklungen: Der Heizwärmebedarf sinkt
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von 2010 auf 2015 um 12 % und steigt von 2015 auf 2020 um 25 % an. Der Endenergiebedarf für die Trinkwarmwasserbereitung erhöht sich von 2010 auf 2020 kontinuierlich auf das
2,55-fache. Der Strombedarf steigt von 2010 bis 2015 um 92 %, von 2015 bis 2020 um weitere 13 %. D. h. er erhöht sich innerhalb von 10 Jahren von 701.903 kWh/a auf 1.520.984
kWh/a, also mehr als das Doppelte. Die Gründe sind zum einen die Erhöhung der Nutzfläche
um ca. 90 %, zum anderen der zu erwartende Anstieg des spezifischen Verbrauchs aufgrund
größerer Anzahl und intensiverer Nutzung von elektrischen Geräten und Anlagen.
Wärme- und Strombedarf der Gebäude am Netz in MWh/a
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
0
2010
2015
Wärme
2020
Strom
Bild 3-4: Vergleich des absoluten Wärme – und Strombedarfs in MWh/a
3.3 Kernergebnisse Entwicklung Wärme- und Strombedarf
1. Die Auswertung der gemessenen Wärme- und Stromverbräuche zeigt, dass das Bürgerheim Biberach bereits bisher energiebewusst bewirtschaftet wurde. Gerade bei Alten- und
Pflegeheimen wären wesentlich höhere Verbrauchswerte zu erwarten gewesen.
2. Mit der Perspektive, die Gebäude 7 und 8 abzureißen, liegt das Bürgerheim auch energetisch richtig, denn dies sind die beiden Gebäude mit den höchsten gemessenen Wärmeverbräuchen auf dem Bürgerheim-Areal.
3. Bezogen auf die temperierte NGF sinkt der Wärmeverbrauch ab. Beträgt der Mittelwert bis
2010 noch 157 kWh/m2a, so sinkt er in 2015 auf 113 kWh/ m2a und bis 2020 auf 106
kWh/m2a. Der absolute Gesamtwärmebedarf steigt um 30% auf knapp 2.800 MWh/a aufgrund der Nutzflächenvergrößerung.
4. Der Stromverbrauch ist mit rund 1,5 Millionen kWh/a in 2020 so hoch, dass die gesamte
Wärmeerzeugung eines Blockheizkraftwerks mit 50 kW elektrisch eigengenutzt werden
kann. (50 kW * 7.000 h = 350.000 kWh/a). Bezogen auf den Stromverbrauch wäre sicherlich
auch ein wesentlich größeres BHKW darstellbar.
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3.4 Wärmenetzentwicklung 2015 und 2020
Wärmenetzstatus 2015
Bild 3-5: Nahwärmenetz im Jahr 2015. Für jedes Gebäude ist der Jahreswärmebedarf und
die Heizlast eingetragen. Eine Heizzentrale stellt die Wärme.
In oben stehender Grafik ist das Netz im Jahr 2015 zu sehen. Vorlauf und Rücklauf sind
nicht separat eingezeichnet um die Übersicht zu bewahren. Zu jedem Gebäude sind der Jahreswärmebedarf und die nötige Heizleistung aufgrund von Volllaststunden angegeben. Der
Standort der Heizzentrale wird zum jetzigen Zeitpunkt noch diskutiert. Die bestehende Netzleitung zu Gebäude 9, die sich derzeitig in einem guten Zustand befindet muss abgerissen
werden, da in einem weiteren Bauabschnitt neue Gebäude auf dem Areal der Leitung errichtet werden. Aus dem Bestand kann die Trasse von Gebäude 2 zu Gebäude 3 weitergenutzt
werden und die hausinterne Heizungsleitung von Gebäude 6 zu Gebäude 5.
Wärmenetzstatus 2020
Im Jahr 2020 werden alle Gebäude auf dem Gelände durch Nahwärme versorgt. Die blau
markierten Gebäude werden zwischen 2015 und 2020 errichtet, und wie in Kapitel 3 dargestellt als Niedrigenergiehaus ausgeführt. Gebäude 17, eine Schule und das Mehrfamilienhaus, Gebäude 18 werden ebenfalls ans Netz angeschlossen. Der Standort der Heizzentrale
wurde so vorgeschlagen, dass eine LKW-Zufahrt für die Lieferung der Hackschnitzel möglich
ist. Der Platz zum Wenden für einen typischen LKW mit 9,5m Länge ist türkis gezeichnet.
Die blauen Leitungen führen zu Niedrigenergiehäusern und stellen ein sogenanntes „3 Leiter
System“ dar: Ein Vorlauf, zwei Rückläufe. Der Standort der Heizzentrale ist zurzeit in Diskussion, da neben energetischen auch andere Aspekte berücksichtigt werden müssen (siehe
auch Kap. 8).
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Bild 3-6: Nahwärmenetz im Jahr 2020. Für jedes Gebäude sind der Jahreswärmebedarf und
die Heizlast eingetragen. Eine Heizzentrale stellt die Wärme. Die blauen Linien sind Rückläufe,
die zur Versorgung der Heizung der Niedrigenergiehäuser dienen.
Mit dem Rücklauf aus den (schwarz gezeichneten) Bestandgebäuden wird der Heizungskreislauf der (blau gezeichneten) Neubauten versorgt und das Trinkwarmwasser auf 50 °C
vorgewärmt. Deutlich kleiner dimensionierte Vorläufe führen ebenfalls zu diesen Gebäuden
um dort das Trinkwarmwasser auf 65 °C anzuheben. Aufgrund der gesetzlich vorgeschriebenen Legionellenschaltung ist dies besonders wichtig.
3.5 Entwicklungen von Lastgängen und Jahresdauerlinien als Basis für die Entwicklung alternativer Energieversorgungskonzepte
Zur Ermittlung von Lastgängen und Jahresdauerlinien wurden die Gebäude des Bürgerheimareals 5 typischen Nutzungsprofilen zugeordnet (Wohngebäude, Speisesaal, Kinderkrippe, Tagesklinik, Schule). Für jeden Nutzungstyp wurden drei Tagesgänge für die Heizung
angenommen: Einer für die Wintermonate, einer für die Übergangsmonate und einer für die
Sommermonate. Es wurden Tagesgänge gewählt, die den täglichen Wärmebedarf auf 24
Stunden aufteilen. Als Beispiel ist hier der Tagesgang für die Heizung im Winter eines
Wohngebäudes dargestellt.
@ssmann gruppe
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Tagesgang Wohngebäude
0,07
Anteil am Tageswert
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Stunden am Tag
Bild 3-7: Der Heizungstagesgang eines Wohngebäudes im Winter. Dargestellt ist der Anteil
der jeweiligen Stunde am Tag. Die Summe aller Werte ergibt 1.
Für die Trinkwasserbereitung wurde nur ein Lastgang angesetzt, der für alle Nutzungstypen
und alle Jahreszeiten gleich ist. Die TWW Jahresmenge ist jedoch gebäudeabhängig.
Der Jahreswärmebedarf für die Heizung wurde nach dem Gradtagverfahren auf die Tage
aufgeteilt. Als Basis dienten Tagesmittelwerte von 2010 des deutschen Wetterdienstes.
Daraus ergibt sich ein Lastgang für Trinkwarmwasser + Heizung für jedes Gebäude. Die
Lastgänge aller Gebäude wurden übereinandergelegt, d.h. jeder stündliche Wert aufsummiert. Aus diesem Jahresgang aller Gebäude wurde die Jahresdauerlinie erstellt.
Mit den Gasverbrauchswerten von 2010 konnte eine Überprüfung durchgeführt werden, in
wieweit die Annahmen mit der Realität übereinstimmen. Bei den Gaswerten fällt auf, dass
eine hohe Grundlast vorliegt. Nur 55 Stunden im Jahr ist der stündliche Mittelwert kleiner als
60 kW! Diese Grundlast rechnen wir nicht dem Benutzerverhalten zu, sondern den Verlusten
des Nahwärmenetzes, der Zirkulationsleitungen und der Puffer. Bei einem Kesselwirkungsgrad von 85 % bedeutet das eine Wärmegrundlast von 50 kW. Deswegen haben wir zu den
Wärmelastgängen der Gebäude eine Grundlast von 50 kW hinzugerechnet. Diese ist über
das ganze Jahr konstant.
Die gebäudespezifischen Tageslastgänge wurden für die Jahre 2015 und 2020 übernommen. Für die Schule wurde ein neuer Tagesgang für 2020 hinzugefügt. Mit den jährlichen
Verbrauchswerten ergeben sich nach dem gleichen Rechenverfahren (s. oben) die Jahresdauerlinien für 2015 und 2020.
Aus diesen Überlegungen resultiert eine Kurve, die mit den tatsächlichen Gaswerten verglichen wurde. Die tatsächlichen Gaswerte wurden dabei mit einem Korrekturfaktor normiert,
so dass die jährliche Energieverbrauchsmenge der Gebäude einschließlich Grundlast
(=Netz- und Puffer- und Zirkulationsverluste) gleich den Gaswerten * Faktor ist. Dieser Faktor beträgt 77 %. In den resultierenden 23 % an Verlusten sind enthalten: Nutzungsgrad des
Kessels, der laut Messungen der Hochschule Biberach bei ca. 87 % liegt (Schlussbericht Teil
@ssmann gruppe
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1, Seite 149) sowie die Umrechnung von Heizwert auf Brennwert, da der Energieversorger
den Brennwert des gelieferten Gases abrechnet, die vorhandenen Niedertemperaturkessel
aber keine Brennwertnutzung zulassen.
JDL Wärm e 2010
1000
900
800
Leistung in kW
700
600
JDL Grund + TWW + HZG
JDL TWW + Grundlas t
500
Grundlas t
Gas werte 2010 normiert
400
300
200
100
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Bild 3-8: Jahresdauerlinien im Jahr 2010. Dargestellt sind die Grundlast, der Trinkwarmwasserbedarf und die Heizung. Vergleich der Theorie mit den tatsächlichen Gasmengen
Jahreslastgang 2010
1000
Leistung in kW
800
600
TWW
HZG
400
Grund
200
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Bild 3-9: Jahreslastgang im Jahr 2010 für Trinkwarmwasser, Heizung und Grundlast.
@ssmann gruppe
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JDL Wärm e 2015
1000
900
800
Leistung in kW
700
600
500
JDL TWW + Grundlast
Grundlast
400
300
200
100
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Bild 3-10: Jahresdauerlinien im Jahr 2015. Dargestellt sind die Grundlast, der Trinkwarmwasserbedarf und die Heizung.
Jahreslastgang 2015
1000
Leistung in kW
800
600
TWW
HZG
400
Grund
200
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Bis 2015 ändert sich der Jahreslastgang aufgrund wegfallender Gebäude, Renovierungen
und Neubauten. Der Jahreswärmebedarf bleibt ungefähr gleich.
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JDL Wärme 2020
1000
Leistung in kW
800
600
JDL TWW + Grundlast
Grundlast
400
200
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Bild 3-12: Jahresdauerlinien im Jahr 2020. Dargestellt sind die Grundlast, der Trinkwarmwasserbedarf und die Heizung.
Jahreslastgang 2020
1000
Leistung in kW
800
600
TWW
HZG
400
Grund
200
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Im Jahr 2020 sind weitere Gebäude auf dem Areal hinzugekommen, die mit Nahwärme versorgt werden. Der Jahreswärmebedarf der Gebäude ist gegenüber 2015 um 26 % gestiegen.
Die Bedarfsspitzen fallen im Vergleich zu 2015 höher aus.
@ssmann gruppe
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4. Entwicklung alternativer Energieversorgungskonzepte in Varianten –
Beschreibung, technisch-wirtschaftliche Bewertung und Vorauswahl
(Knecht-Ingenieure, Ebert-Ingenieure, @ssmann gruppe)
Vorbemerkung: Die im Folgenden dargestellten Randbedingungen und Konzepte entsprechen fast völlig den in Schlussbericht Teil 1 vorgestellten Grobkonzepten. Teilweise wurde
jedoch die Dimensionierung einzelner Erzeuger aufgrund neuerer Erkenntnisse geändert
(siehe Anhang 4, TU Dresden). Ein weiterer wichtiger Unterschied zu den im Schlussbericht
Teil 1 dargestellten Varianten: In Versorgungsvariante 1 wurde nun auch eine thermische
Solaranlage vorgesehen.
Hier zur Übersicht die alten Varianten:
Variante 0: Gas-Brennwertkessel (als Referenz)
Variante 1: HHS + Gas-Spitzenlast
Variante 2: HHS + Gas-Spitzenlast + Erdgas-BHKW
Variante 3: HHS + Gas-Spitzenlast + Holz-KWK mit HHS
Variante 4: HHS + Gas-Spitzenlast + Holz-KWK mit HHS +Solarthermie
So definieren sich die neuen Varianten:
Variante 0: Gas-Brennwertkessel (als Referenz)
Variante 1: HHS + Gas-Spitzenlast + Solarthermie
Variante 2: HHS + Gas-Spitzenlast + Erdgas-BHKW (ohne Solarthermie, da größer
dimensioniertes BHKW mit mehr Wärmeproduktion)
Variante 3: HHS + Gas-Spitzenlast + Holz-KWK mit HHS (nur zum Vergleich mit
Variante 4)
Variante 4: HHS + Gas-Spitzenlast + Holz-KWK mit HHS + Solarthermie
4.1 Ziele und Randbedingungen für die Entwicklung von Energieversorgungskonzepten
Das Modellprojekt „EnEffStadt: Bürgerheim Biberach 2012“ hat die Zielsetzung einer innovativen und nachhaltigen Wärmeversorgung des Bürgerheims. Verschiedene Altbauten befinden sich auf diesem Areal und benötigen heute und auch in Zukunft hohe Vorlauftemperaturen. Somit wurden von vorne herein keine Wärmepumpen für die Wärmeerzeugung in Betracht gezogen. Das Bürgerheim Biberach besitzt große Flächen heimischer Wälder. Das
Restholz aus der Bewirtschaftung bietet sich an, um der Wärmeerzeugung im Bürgerheim zu
dienen. Um dem Anspruch der innovativen Wärmeerzeugung gerecht zu werden, wurde der
Fokus auf die Kraft-Wärme Kopplung aus Holzhackschnitzeln gelegt.
Die CO2 Emissionen in den nachfolgenden Darstellungen wurden mit Hilfe von GEMIS ermittelt, die Primärenergieberechnungen erfolgten nach DIN V 18599 mit einer Berücksichtigung
nur des nicht regenerativen Anteils.
Alle Preise bzw. Kosten werden, soweit nicht ausdrücklich anders benannt, als Nettokosten
ausgewiesen. Preisstand ist das 4. Quartal 2012. Folgende Energiepreise und Preissteigerungen liegen den Berechnungen zugrunde:
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Hackgut W15
Hackgut W35
Erdgas
Strom
Energiepreis
130 €/tonne
80 €/tonne
4,7 Ct/kWh (Bezug Heizwert)
15,5 Ct/kWh
Jährliche Preissteigerung
4%
4%
6%
5%
Investitionsgüter
Tariflohn
1%
3%
Die Preissteigerungen entstammen den Angaben des Statistischen Bundesamtes für die
letzten 7 Jahre. Preissteigerungen für Hackgut und Erdgas wurden nach eigenen Erfahrungen angepasst. Der Hilfsstrombedarf der Heizanlagen wurde in den folgenden Jahresvollkosten-Tabellen jeweils unter „Verbrauchsgebundene Kosten, Betriebsmittel und Ascheentsorgung“ subsummiert. Einnahmen durch Stromeinspeisung wurden gemäß den jeweils zutreffenden Förderrichtlinien kalkuliert. Für das Erdgas-BHKW wurde vereinfacht angenommen,
dass 50 % der BHKW-Stromproduktion selbst genutzt wird. Beim Holz-BHKW wird der erzeugte Strom aufgrund der wirtschaftlichen Vorteilhaftigkeit zu 100 % eingespeist. Der Heizkostenvergleich erfolgt in Anlehnung an den VDI 2067 Standard. Allgemeine Berechnungsrandbedingungen mit einem Mischzinssatz von 2 % nominal und weiteren folgenden Annahmen:
Basisdaten
Anlagenteile Hackschnitzelkessel
Anlagenteile Spitzenlastkessel
BHKW
Hydraulik
Bauliche Anlagen
Stamm- und Zweigleitungen
Rohrgraben
Hausanschlusskosten
Planung
Sonstiges
Nutzungsdauer
Instandhaltung
[Jahre]
[%]
[%]
15
15
10
20
30
20
20
20
20
20
7,8
7,8
11,1
6,1
4,5
6,1
6,1
6,1
6,1
6,1
1,0
1,0
1,0
1,0
0,5
0,5
--0,5
-----
Die Basisdaten für den Heizwärmebedarf lauten:
Jahreswärmebedarf (einschl. Netzverluste)
Jahresvolllaststunden
Gesamtheizlast
@ssmann gruppe
Annuität
2.795 MWh/a
1.996 h/a
1.400 kW
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4.2 Variante 0 (Referenz): Gasheizung Brennwert-Kessel
- Technische Beschreibung
Als Referenzvariante wurde eine Gasbrennwertkesselanlage gewählt. Die Referenz dient
dem wirtschaftlichen Vergleich der Alternativen. Es wurde eine Tandem-Anlage betrachtet
aus zwei 700 kW Gasbrennwertkesseln. Die bestehende Heizzentrale würde weiter genutzt
werden. Die Bestandskessel werden entfernt und durch neue ersetzt. Hocheffizienzpumpen
speisen das Netz. Eine neue Gebäudeleittechnik (GLT) regelt die Erzeuger und das Nahwärmenetz. Der bestehende Kamin kann weiter genutzt werden.
JDL Wärme 2020
1000
Leistung in kW
800
600
JDL TWW + Grundlast
Grundlast
400
200
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Bild 4-1: Jahresdauerlinie im Jahr 2020. Der komplette Jahreswärmebedarf wird durch den
Gaskessel gedeckt.
@ssmann gruppe
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- Berechnung der Jahresvollkosten (1. Jahr)
Position
2 x 700 kW Gasbrennwert Kessel
Gaskessel
Anteil an Gesamtwärme
Investitionskosten (netto)
1.1 bis 1.4 Anlagenteile Wärmeerzeuger
1.5 Hydraulik
1.6 bauliche Anlagen
1.7 Stamm- und Zweigleitungen
1.8 Rohrgraben
1.9 Hausanschlusskosten
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Gesamtinvestition
Förderung
Förderquote (auf Förderungsfähigkeit achten)
Investition abzgl. Förderung, BKZ
Kapitalkosten
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Kapitalgebundene Kosten
Verbrauchsgebundene Kosten
Brennstoffkosten
Betriebsmittel und Ascheentsorgung
Betriebsgebundene Kosten
1.1 bis 1.4 Instandhaltung Wärmeerzeuger
1.5 Instandhaltung Hydraulik
1.6 Instandhaltung bauliche Anlagen
1.7 Instandh. Stamm- und Zweigleitungen
1.9 Instandh. Hausanschlusskosten
Summe Instandhaltungskosten
Personal- und Verwaltungskosten
Rauchfangkehrer
Wartung, Service
Erlöse
Erlöse
Sonstige Kosten
Versicherung, etc.
Sonstige Kosten
100%
122.000 €
69.600 €
88.690 €
62.832 €
48.600 €
50.000 €
15.000 €
456.722 €
0,0%
456.722 €
9.495 €/a
4.257 €/a
0 €/a
5.424 €/a
3.843 €/a
2.972 €/a
3.058 €/a
917 €/a
29.965 €/a
141.101 €/a
2.284 €/a
143.385 €/a
1.220 €/a
696 €/a
0 €/a
443 €/a
243 €/a
2.602 €/a
3.000 €/a
200 €/a
300 €/a
6.102 €/a
0 €/a
1.000 €/a
1.000 €/a
Gesamtkosten (netto) im 1. Jahr
180.452 €/a
Gesamtkosten (brutto) im 1. Jahr
214.738 €/a
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- Bewertung
Wirtschaftlich zeichnet sich die Referenzvariante durch geringe Investitionskosten aus. Dem
gegenüber stehen hohe Brennstoffkosten. Erdgas ist teurer und die Erdgaspreissteigerung
ist laut Expertenkreisen höher anzusetzen als bei regenerativen Energieträgern. Die CO2
Emissionen liegen bei 730.000 kg pro Jahr. Der fossile Primärenergieeinsatz beträgt 3.300
MWh pro Jahr.
Das Erdgas wird per Erdleitung bis zum Kessel geführt. Der Brennstoffbezug wird nicht von
den Bewohnern wahrgenommen. Der Großteil des Erdgases kommt aus dem Ausland. Die
Wertschöpfung bleibt nicht in Deutschland. Die Brennwertnutzung von Erdgas ist eine ausgereifte Technologie und konnte in den achtziger Jahren als innovativ bewertet werden. Der
konventionelle Ansatz zu ungebremstem Verbrauch fossiler Energien ist nicht innovativ. Auf
Grund hoher CO2 Emissionen und Abhängigkeit von Erdgas-„Multis“ kann nicht von Identifikation mit diesem Energieträger gesprochen werden
- Nutzwertanalyse
Die vorstehende Bewertung der Variante wird grafisch dargestellt. Es werden fünf Wertungsstufen eingefügt, von denen die rote Farbe die negativste und die grüne Farbe die positivste
Bewertung bedeutet.
Nutzwertanalyse Variante 0
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4.3 Variante 1: Holzhackschnitzelheizung (HHS) mit Gas-Spitzenlastkessel,
Solarthermie
Eine Holzhackschnitzel-Kesselanlage in der bestehenden Heizzentrale ist nicht möglich.
Eine neue Heizzentrale wird also benötigt. Die Analyse des Jahreslastgangs ergab, dass ein
Kessel mit 650 kW thermischer Leistung geeignet ist. Dafür ist ein Hackgutlager von über
100 m³ nötig, um den durchgängigen Betrieb zu gewährleisten. Ein häufiges An und Ausschalten eines Biomassekessels sollte vermieden werden. Zudem sind Lastspitzen von über
1000 kW zu erwarten. Ein Pufferspeicher verringert die Takthäufigkeit im Sommer und fängt
Lastspitzen im Winter ab. Das Speichervolumen sollte etwa 27 m³ betragen. Ab 2014 werden
verschärfte Verordnungen bezüglich der Feinstaubemissionen von Biomassekesseln gelten.
Um diese zu erfüllen, sind Filteranlagen notwendig. Es wurde ein System aus Multizyklon mit
E-Filter angedacht. Die ganze Anlage wird in einer neu zu errichtenden Heizzentrale untergebracht. Das Dach dieser Anlage würde mit solarthermischen Vakuumröhrenkollektoren
bestückt.
Bild 4-2: Jahresdauerlinie im Jahr 2020. Vom Hackgutkessel werden 78%, vom Gas-Spitzenlastkessel 21% des Wärmebedarfs erbracht. Die Solarthermie trägt 1% zur Wärmebedarfsdeckung
bei. Die Linien sind Simulationsergebnisse (TU Dresden), welche das Wärmelieferpotenzial
aufzeigen, dabei jedoch die reale Verfügbarkeit nicht berücksichtigen. In der Realität wird es
leichte Verschiebungen hin zum Gaskessel geben. Die Solarthermie wurde bewusst nicht als
geordnete Jahresdauerlinie, sondern als Jahreslastgang eingetragen, um falsche Schlüsse zu
vermeiden (wie z.B., dass die Solarthermie die Spitzenlast verringert)
@ssmann gruppe
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Position
Abschätzung des Brennstoffbedarfes
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Gesamtinvestition
Förderung
Förderquote (auf Förderfähigkeit achten)
Kapitalkosten
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Brennstoffkosten
Rauchfangkehrer
Wartung, Service
Erlöse
Sonstige Kosten
Versicherung, etc.
Sonstige Kosten
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650 kW Hackgutkessel
75 m² Solarthermie
1.400 kW Gaskessel
Hackgutkessel
78%
3.352 m³ SRM
843 to
Gaskessel Solarthermie
21%
1%
369.700 €
69.600 €
364.050 €
93.110 €
59.664 €
48.600 €
130.000 €
15.000 €
1.246.324 €
80.260 €
6,4%
1.166.064 €
53.000 €
43.600 €
26.919 €/a
3.982 €/a
15.208 €/a
5.328 €/a
3.414 €/a
2.781 €/a
7.438 €/a
858 €/a
72.962 €/a
3.859 €/a
3.175 €/a
67.473 €/a
6.232 €/a
104.982 €/a
31.277 €/a
3.697 €/a
696 €/a
1.820 €/a
466 €/a
243 €/a
6.922 €/a
10.000 €/a
200 €/a
600 €/a
18.688 €/a
0 €/a
530 €/a
436 €/a
530 €/a
436 €/a
2.000 €/a
2.000 €/a
198.632 €/a
236.373 €/a
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- Bewertung
Die kumulierten Einsparungen gegenüber der Referenz liegen nach 10 Jahren bei rund
26.000 €. Der Brennstoff Holzhackschnitzel ist pro kWh günstiger als Erdgas. Der Wirkungsgrad von Biomassekesseln ist schlechter als der von Gasbrennwertgeräten. Dennoch ist der
Preis pro MWh Wärme nach dem Kessel geringer als bei Gasbrennwertgeräten. Dies führt
zu einer etwas besseren Wirtschaftlichkeit, wenn der Betrachtungszeitraum 10 Jahre beträgt.
Die Investitionen sind im Vergleich zur Referenz mehr als doppelt so hoch. 250.000 kg CO2
werden pro Jahr emittiert. Der fossile Primärenergieeinsatz liegt bei 1.330 MWh.
Etwa 50 LKW-Lieferungen pro Jahr sind für das Hackgut notwendig. Die Hackschnitzel aus
den heimischen Wäldern, werden vor Ort gehackt und in der Region zwischengelagert und
eventuell aufbereitet. Die Wertschöpfung bleibt in der Region. Die Hackgutlieferungen werden wahrgenommen. Hackgutkessel existieren seit gut 15 Jahren auf dem Markt und sind
ausgereifte Serienprodukte. Zahlreiche Innovationen in Sachen Hackgutförderung, Reinigung, Wirkungsgrad und Automation haben im Verlauf der letzten 10 Jahre stattgefunden.
Der Einsatz von Holzhackschnitzeln als erneuerbare Energieträger in Verbindung mit der
Nutzung solarer Energiegewinne wird als Mindeststandard einer Innovation eingeschätzt. Die
Identifikation mit dem Rohstoff Holz ist sehr gut möglich, jedoch bei einfacher Technik.
- Nutzwertanalyse
Bewertung bedeutet.
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Seite 45 von 219
4.4 Variante 2: HHS+Gas-Spitzenlastkessel und Erdgas-BHKW
Die Analyse des Jahreslastgangs stellte ein BHKW mit 110 kW elektrischer und 180 kW
thermischer Leistung als sinnvoll dar. Die Größenordnung des Hackschnitzelkessels liegt bei
der Kombination mit diesem Erdgas-BHKW bei 450 kW. Um einen wirtschaftlichen Betrieb
des BHKWs zu ermöglichen, soll dies selten takten. Ein großer Puffer verringert die Takthäufigkeit. Das Puffervolumen liegt bei 27 m³. Der Hackgutkessel und das Hackgutlager benötigen eine Heizzentrale, die straßennah gewählt wird. Auf Solarthermie wird bei dieser Variante verzichtet, da diese die bereits optimierte Laufzeit des Erdgas-BHKWs beeinträchtigen
würde.
JDL Wärme 2020
1000
Leistung in kW
800
Peak und Puffer
600
Hackgutkessel
Erdgas BHKW
400
200
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Bild 4-3: Jahresdauerlinie im Jahr 2020. Dabei wird der Jahreswärmebedarf durch ein Erdgas
BHKW zu 44%, einen Hackgutkessel zu 45% und einen Gas-Spitzenlastkessel zu 11 % erbracht.
Auch hier gilt, dass es aufgrund der realen Verfügbarkeit in der Praxis zu kleineren Verschiebungen hin zum Gaskessel kommen wird.
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Position
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Gesamtinvestition
Förderung
Kapitalkosten
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Brennstoffkosten
Rauchfangkehrer
Wartung, Service
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Erdgas BHKW (110 kWel, 180 kWth)
1.400 kW Gaskessel
Hackgutkessel Erdgas-BHKW
45%
44%
Gaskessel
11%
1.934 m³
487 to
321.700 €
69.600 €
364.050 €
93.110 €
59.664 €
48.600 €
145.000 €
15.000 €
1.334.724 €
56.820 €
4,3%
1.277.904 €
165.000 €
53.000 €
23.971 €/a
4.075 €/a
15.563 €/a
5.452 €/a
3.494 €/a
2.846 €/a
8.490 €/a
878 €/a
86.304 €/a
17.587 €/a
3.949 €/a
38.927 €/a
6.674 €/a
168.832 €/a
106.848 €/a
16.383 €/a
3.217 €/a
696 €/a
1.820 €/a
466 €/a
243 €/a
6.442 €/a
10.000 €/a
200 €/a
600 €/a
34.422 €/a
1.650 €/a
530 €/a
1.650 €/a
530 €/a
15.000 €/a
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Fortsetzung Tabelle Jahresvollkosten
Hackgutkessel
Erlöse
Grundvergütung (EEG)
EK I
nach KWKG anteilig bis 50 kWel
nach KWKG anteilig über 50 kWel bis 250
kWel
vermiedene NN-Kosten
Einspeisevergütung (Ø Quartal II / 2012)
Rückerstattung Energiesteuer
Bewertung selbstgenutzter Strom
Erlöse
Sonstige Kosten
Versicherung, etc.
Sonstige Kosten
Erdgas-BHKW
Gaskessel
-20.383 €/a
-18.084 €/a
-2.114 €/a
-16.739 €/a
-12.504 €/a
-64.237 €/a
-134.061 €/a
2.000 €/a
2.000 €/a
157.498 €/a
187.422 €/a
- Bewertung
Diese Variante stellt sich wirtschaftlich sehr gut dar. Die kumulierten Einsparungen gegenüber der Referenz liegen nach 10 Jahren bei rund 120.000 €. Die im Jahr 2012 gestiegene
KWKG Förderung begünstigt dies. Das Erdgas-BHKW produziert Strom, der deutlich unter
den Marktpreisen liegt. Die Investitionskosten liegen bei 1.300.000 €. Etwa 4 % können an
Förderungen (KFW Bank) bezogen werden. Die CO2-Emissionen liegen bei 170.000 kg pro
Jahr, unter Berücksichtigung des produzierten BHKW-Stroms. An fossiler Primärenergie
werden 940 MWh pro Jahr eingesetzt, unter Berücksichtigung der Stromgutschrift.
Etwa 30 LKW-Ladungen an Hackgut werden pro Jahr anfallen. Die Wertschöpfung der Hackschnitzelbeschaffung bleibt in der Region. Erdgas trägt zu keiner regionalen Wertschöpfung
bei. Erdgas-BHKWs werden seit gut 15 Jahren als Wärme und Stromlieferant in dieser Größenordnung eingesetzt. Vereinzelte Innovationen in den letzten 5 Jahren brachten den Gesamtwirkungsgrad um wenige Prozentpunkte an den Rand der technischen Möglichkeiten.
Für den Hackschnitzelkessel gilt das Gleiche wie der vorigen Variante 1 beschrieben. Der
Einsatz von Holzhackschnitzeln als erneuerbare Energieträger in Verbindung mit einer fossil
befeuerten KWK-Komponente zur Stromerzeugung kann ebenfalls als Innovations-Mindeststandard eingestuft werden. Die dezentrale Kraft-Wärme Kopplung gilt als wichtiger Eckpfeiler für die Energiewende in Deutschland. Somit kann das Erdgas-BHKW trotz fossilem Energieträger zu einer guten Identifikation führen
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- Nutzwertanalyse
Bewertung bedeutet.
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4.5 Variante 3: HHS + Gas-Spitzenlastkessel und Holz-KWK mit HHS
Im Kapitel „Marktrecherche Holz Kraftwärmekopplung“ des Schlussberichts Teil 1 wurden am
Markt verfügbare Technologien der Holz-KWK eingehend untersucht. Eine gekürzte und aktualisierte Fassung findet sich in Annex 1 des vorliegenden Schlussberichts Teil 2. Die Recherche führte zu einem Holzvergaser-Verbrennungsmotor. Mit 45 kW elektrischer und 105
kW thermischer Leistung kommt das BHKW selbst im Sommer auf lange Laufzeiten. Wie bei
den anderen Varianten ist ein neues Gebäude für die Heizzentrale nötig. Die detaillierte Analyse des Jahreslastgangs durch Dr. Gnüchtel (Technischen Universität Dresden) ergab, dass
ein Hackschnitzelkessel im Leistungsbereich von 500 kW eingesetzt werden sollte. Der Pufferspeicher hat ein Volumen von 27 m³. Ein Holzgas BHKW ist mit Geruchsemissionen verbunden. Der teerartige Geruch rührt vor allem aus dem Holzvergaser, denn der Motorblock
wird von den Herstellern ungekapselt geliefert. Für die Heizzentrale des Bürgerheims wird
vorgeschlagen, den Aufstellraum des Holzgas BHKWs in der Heizzentrale mit Schalldämpfkulissen in den Kanälen zu belüften. Außerdem wäre es sinnvoll, planerisch Platz dafür vorzusehen, Aktivkohlefilter in die Abluft zu integrieren, falls der teerartige Geruch in der Umgebung wahrgenommen werden sollte.
JDL Wärme 2020
1000
L eis tu n g in kW
800
Peak und Puffer
600
Hackgutkessel
Holzgas BHKW
400
200
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunden im Jahr
Bild 4-4: Jahresdauerlinie im Jahr 2020. Der Jahreswärmebedarf wird durch ein Holzgas BHKW
zu 24%, einen Hackgutkessel zu 63% und einen Gas-Spitzenlastkessel zu 13% gedeckt. Wie in
den anderen Alternativen kann es auch hier kleinere Verschiebungen zum Gaskessel hin geben, aufgrund der realen Verfügbarkeiten.
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Position
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Gesamtinvestition
Förderung
Kapitalkosten
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Brennstoffkosten
Rauchfangkehrer
Wartung, Service
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Holz BHKW (45 kWel, 105 kWth)
1.400 kW Gaskessel
90% BHKW-Verfügbarkeit
Hackgutkessel
63%
Holz-BHKW
24%
Gaskessel
13%
2.708 m³SRM 1.557 m³SRM
681 to
296 to
333.700 €
69.600 €
364.050 €
93.110 €
59.664 €
48.600 €
150.000 €
15.000 €
1.416.724 €
58.320 €
4,1%
1.358.404 €
230.000 €
53.000 €
24.901 €/a
4.081 €/a
15.586 €/a
5.460 €/a
3.499 €/a
2.850 €/a
8.796 €/a
880 €/a
94.558 €/a
24.551 €/a
3.955 €/a
54.498 €/a
7.084 €/a
119.373 €/a
38.429 €/a
19.362 €/a
3.337 €/a
696 €/a
1.820 €/a
466 €/a
243 €/a
6.562 €/a
10.000 €/a
200 €/a
600 €/a
50.192 €/a
2.300 €/a
530 €/a
2.300 €/a
530 €/a
30.000 €/a
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Hackgutkessel
Erlöse
EK I
kWel
Erlöse
Sonstige Kosten
Versicherung, etc.
Sonstige Kosten
Holz-BHKW
Gaskessel
-42.002 €/a
-17.623 €/a
-59.625 €/a
3.000 €/a
3.000 €/a
207.498 €/a
246.922 €/a
- Bewertung
Bei dem gewählten konservativen Ansatz (hohe Wartungskosten, keine Pilotförderung, 10
Jahre Betrachtungszeitraum) zeichnet sich diese Variante nicht durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Nach 10 Jahren kumuliert sich noch ein Mehraufwand von rund 90.000 € gegenüber der Referenz (wird zusehends geringer).
Die Investitionskosten belaufen sich auf ca. 1.400.000 €. Etwa 4 % können an Förderungen
(KFW Bank) bezogen werden. Pro Jahr entstehen 34.000 kg CO2. Die Verdrängung des
deutschen Strommixes ist enthalten. Der fossile Primarenergieeinsatz beträgt 383 MWh/a
(Stromgutschrift berücksichtigt).
Für den Hackschnitzel Transport sind etwa 60 LKW-Lieferungen notwendig. Über 85 % der
produzierten Wärme stammt aus den Hackschnitzeln. Die komplette Wertschöpfungskette
bleibt in der Region. Holzvergaser Verbrennungsmotoren gab es schon in den 1940er Jahren, jedoch sind diese nicht dem heutigen technischen Stand vergleichbar. Der Einsatz eines
vollautomatisierten Holzhackschnitzel-BHKWs zur dezentralen innerstädtischen Kraft-Wärme
Kopplung ist derzeit eine Innovation. Diese Innovation stellt eine merkliche Förderung durch
EnEff:Stadt in Aussicht. Im Gegensatz zu V1 und V2 wird der erneuerbare und heimische
Energieträger Holz auch hinsichtlich seines Exergiegehaltes genutzt. Der hohe Deckungsgrad der benötigten Wärme durch Hackschnitzel und die effiziente Nutzung des Rohstoffes
Holz führt zu einer hohen Identifikation mit der eingesetzten Technologie.
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- Nutzwertanalyse
Bewertung bedeutet.
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4.6 Variante 4: HHS + Gas-Spitzenlastkessel + Holz-KWK mit HHS und Solarthermie
Die eingesetzte Technologie mit ihren Komponenten ist mit der von Variante 3 identisch. Zu
diesem System wird in Variante 4 eine solarthermische Anlage hinzugefügt. Die detaillierte
Analyse des Lastganges ergab, dass eine solarthermische Anlage mit 75 m² die Laufzeit des
Holzgas-BHKW kaum beeinflusst. Es ist geplant, den zentralen Pufferspeicher mit der
Solarthermie zu laden. Zwischen Kollektor und Puffer wird ein Wärmetauscher zwischengeschaltet, um den unterschiedlichen Anforderungen an die Betriebsmedien gerecht zu werden.
Bild 4-5: Jahresdauerlinie im Jahr 2020. Der Jahreswärmebedarf wird durch ein Holzgas BHKW
zu 23%, einen Hackgutkessel zu 64%, einen Gas-Spitzenlastkessel zu 12% und ein kleines
Solarthermiefeld zu 1% gedeckt. Wie in den anderen Alternativen kann es auch hier kleinere
Verschiebungen zum Gaskessel hin geben, aufgrund der realen Verfügbarkeiten. Die
Solarthermie wurde auch hier bewusst nicht als geordnete Jahresdauerlinie, sondern als Jahreslastgang eingetragen, um falsche Schlüsse zu vermeiden (wie z.B., dass die Solarthermie
die Spitzenlast verringert)
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Position
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Gesamtinvestition
Förderung
Kapitalkosten
1.5 Hydraulik
1.8 Rohrgraben
1.10 Planung
1.11 sonstiges
Brennstoffkosten
Rauchfangkehrer
Wartung, Service
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Holz-BHKW (45 kWel, 105 kWth)
75 m² Solarthermie, 1.400 kW Gas
90% BHKW-Verfügbarkeit
Hackgutkessel Holz-BHKW Gaskessel Solarthermie
64%
23%
12%
1%
2.751 m³SRM 1492 m³SRM
692 to
283 to
333.700 €
69.600 €
364.050 €
93.110 €
59.664 €
48.600 €
155.000 €
15.000 €
1.465.324 €
78.910 €
5,4%
1.386.414 €
230.000 €
53.000 €
43.600 €
24.572 €/a
4.027 €/a
15.379 €/a
5.388 €/a
3.452 €/a
2.812 €/a
8.969 €/a
868 €/a
96.807 €/a
24.226 €/a
3.903 €/a
3.210 €/a
55.363 €/a
7.327 €/a
117.390 €/a
3.337 €/a
696 €/a
3.641 €/a
466 €/a
243 €/a
8.382 €/a
10.000 €/a
200 €/a
600 €/a
52.448 €/a
36.828 €/a 17.873 €/a
2.300 €/a
530 €/a
436 €/a
2.300 €/a
530 €/a
436 €/a
30.000 €/a
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Hackgutkessel
Erlöse
EK I
kWel
Erlöse
Sonstige Kosten
Versicherung, etc.
Sonstige Kosten
Holz-BHKW
Gaskessel Solarthermie
-40.252 €/a
-16.889 €/a
-57.140 €/a
3.000 €/a
3.000 €/a
212.505 €/a
252.880 €/a
- Bewertung
Die Solarthermie liefert nur 1 % am Jahreswärmebedarf. Sie ersetzt Wärme aus dem Holzgas BHKW, die für das Bürgerheim preisgünstig zur Verfügung steht. Dies erschwert die
wirtschaftliche Darstellbarkeit. Einsparungen gegenüber der Referenz können nicht erzielt
werden. Der kumulierte Mehraufwand gegenüber der Referenz liegt nach 10 Jahren bei rund
135.000 €. Die Investitionskosten liegen bei 1.450.000 €. Etwa 5 % können an Förderungen
(KFW Bank) bezogen werden. Die CO2-Emissionen liegen bei 33.700 kg pro Jahr (Verdrängung Strommix beachtet). Der fossile Primärenergieeinsatz unter Berücksichtigung der
Stromproduktion der Holz-KWK liegt mit 381 MWh/a sehr niedrig.
Für den Hackschnitzel Transport sind etwa 60 LKW-Lieferungen notwendig. Ein Großteil der
Wertschöpfung findet in der Region statt. Der Einsatz von Holzhackschnitzeln als erneuerbare Energieträger in Verbindung mit einer Holzvergasungs- und KWK-Komponente, sowie die
Nutzung solarer Energiegewinne wird als höchst innovativ eingeschätzt, weil hier nach Fachmeinung zwei sich einander ausschließender Arten der Energieerzeugung zusammen gebracht werden und ein Weg aufzeigt wird, wie sich die unterschiedliche Nutzungsformen erneuerbarer Energien ergänzen können. Auch in dieser Variante wird die Exergie des Holzes
genutzt. Diese Innovation stellt eine merkliche Förderung durch EnEff:Stadt in Aussicht. Ab
einem gewissen Energiepreisniveau wird die Solarthermie in vielen Bereichen und Kombinationen wirtschaftlich darstellbar sein. Die Nutzung der kostenlos zur Verfügung stehenden
Sonnenenergie hat beste Voraussetzungen, um auf die Bewohner positiv zu wirken. Insgesamt wird der Identifikationsgrad dieser Variante als am höchsten eingestuft.
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- Nutzwertanalyse
Bewertung bedeutet.
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4.7 Zusammenfassender Vergleich der Versorgungsvarianten
Im Folgenden werden wichtige Basisdaten und Kernergebnisse der unterschiedlichen Varianten grafisch dargestellt und verglichen. Dabei finden folgende Abkürzungen Verwendung:
H-K =
G-K =
G-KWK =
H-KWK =
Solar =
Holzhackschnitzel(kessel)
Erdgasspitzen- und Schwachlastkessel (Brennwertnutzung)
Erdgas-Blockheizkraftwerk
Holzhackschnitzel-Blockheizkraftwerk
Solarthermie (75 m2)
Bild 4-6: Anteile der verschiedenen Erzeuger an der Gesamtwärme-Bereitstellung
In Variante 4 ist der Anteil regenerativer Wärmeerzeugung mit 88 % am höchsten. Es folgen
Variante 3, dann Variante 1, dann Variante 2. Variante 0 verwendet zu 100 % fossile Energie.
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Bild 4-7: Primärenergieverbrauch für die Wärmebereitstellung in MWh, nur fossiler Anteil,
Stromgutschrift berücksichtigt.
Den geringsten fossilen Primärenergieverbrauch mit 381 MWh/a weist Variante 4 auf, dicht
gefolgt von Variante 3 mit 383 MWh/a. Variante 1 und 2 liegen im Mittelfeld mit 1.331 bzw.
939 MWh/a. Stromgutschriften der BHKW-Stromproduktion sind dabei berücksichtigt.
Schlusslicht ist die Referenzvariante 0 mit 3.302 MWh/a.
Spez. Primärenergieverbrauch (fossiler Anteil) in kWh/m² temp. NGFa
140
120
100
80
60
40
20
0
V 0 (Referenz): G-K
V 1: H-K + G-K +
Solar
V 2: H-K + G-K +
G-KWK
V 3: H-K + G-K +
H-KWK
V 4: H-K + G-K +
H-KWK + Solar
Bild 4-8: Flächenspezifischer Primärenergieverbrauch für die Wärmebereitstellung in kWh/m²
2
temperierter Nettogrundfläche und Jahr, nur fossiler Anteil (NGF = 26.241,83 m ), Stromgutschrift KWK berücksichtigt
Die Ergebnisaussagen gleichen denjenigen der obigen Grafik 4-8. Ergänzend kann festgehalten werden, dass der flächenspezifische Primärenergieverbrauch bei Variante 3 und 4 mit
ca. 15 kWh/m2a im Bereich erdgasbeheizter Passivhäuser liegt.
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CO2-Emissionen in t/a
800
700
600
500
400
300
200
100
0
V 0 (Referenz): G-K
V 1: H-K + G-K +
Solar
CO2-Emissionen
V 2: H-K + G-K +
G-KWK
V 3: H-K + G-K +
H-KWK
V 4: H-K + G-K +
H-KWK + Solar
CO2-Emissionen mit Berücksichtigung Stromproduktion
Bild 4-9: Durch die Wärmebereitstellung verursachte CO2-Emissionen ohne und mit Stromgutschrift durch Stromerzeugung der Kraft-Wärme-Kopplung
Unter Berücksichtigung der Stromgutschrift aufgrund der Stromerzeugung durch die KWKAnlagen, lassen sich die CO2-Emissionen gegenüber der Referenzvariante 0 um über 95 %
senken (Variante 3 und 4). Mit einem Erdgas-BHKW und Holzhackschnitzelheizung werden
immerhin 77 % Reduzierung erreicht (Variante 2). Ganz ohne Kraft-Wärme-Kopplung erreicht die Hackschnitzelheizung einer CO2-Emissionsverminderung von 65 % (Variante 1).
Investitionkosten € netto
gelbe Balken mit / schwarze Balken ohne Basis-Förderung
1.500.000
1.250.000
1.000.000
750.000
500.000
250.000
0
V 0 (Referenz): G-K
V 1: H-K + G-K +
Solar
V 2: H-K + G-K +
G-KWK
V 3: H-K + G-K +
H-KWK
V 4: H-K + G-K +
H-KWK + Solar
Bild 4-10: Investitionskosten der Versorgungsalternativen. Die innovativen Alternativen 3 und 4
mit Holz-KWK liegen etwa Faktor 3 über der Referenzvariante, aber nur etwa 5 – 10 % über den
Alternativen 1 (Holzheizung und Solarthermie) und 2 (Holzheizung und Erdgas-BHKW)
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Bild 4-11: Jahresvollkosten der Versorgungsalternativen in Anlehnung an VDI 2067 für die ersten 10 Jahre
Durchschnittliche Jahresvollkosten der ersten 10 Jahre in €/a
245.000
240.000
235.000
230.000
225.000
220.000
215.000
210.000
205.000
200.000
V 0 (Referenz): G-K
V 1: H-K + G-K +
Solar
V 2: H-G + G-K +
G-KWK
V 3: H-K + G-K +
H-KWK
V 4: H-K + G-K +
H-KWK + Solar
Bild 4-12: Durchschnittliche Jahresvollkosten der ersten 10 Jahre.
Jahresvollkosten
Referenz
Variante I
Variante II
Variante III
Variante IV
Jahr
in €/a
180.452
198.196
157.498
207.498
212.505
1
189.024
203.100
163.814
212.924
217.827
2
198.106
208.232
170.498
218.577
223.371
3
207.729
213.603
177.572
224.469
229.146
4
217.925
219.226
223.526
230.609
235.162
5
228.729
225.113
231.451
237.009
241.431
6
240.176
231.276
239.841
243.681
247.964
7
252.307
237.731
248.724
250.638
254.773
8
265.160
244.490
258.130
257.892
261.870
9
278.781
251.570
268.092
265.458
269.269
10
Durchschnitt
225.839
223.254
213.914
234.875
239.332
Ergebnis: Bild 4-11 zeigt, dass die Varianten 3 und 4 in den ersten Jahren deutlich ungünstiger als die anderen Alternativen sind. Über die Jahre holen sie auf und liegen nach 10 Jahren im Mittelfeld. Ihre durchschnittlichen Jahresvollkosten liegen etwa 20 – 25 Tausend €/a
über den Varianten 2 (Holzheizung und Erdgas BHKW) und Alternative 1 (Holzheizung und
Solarthermie). Gegenüber der konventionellen Gasheizung liegen sie rund 10 – 15 Tausend
€/a ungünstiger. Hauptgrund dafür sind die von uns konservativ hoch angesetzten Wartungskosten der Holz-KWK (30.000 €/a).
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Eine Jahresvollostenbetrachtung über die ersten 10 Jahre wurde gewählt,
- da die Holz-BHKW nach 10 Jahren abgeschrieben ist und ggfs. einem neuen Aggregat
weichen wird. Die Entwicklung auf dem Holz-KWK-Sektor geht aufgrund breit angelegter
Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zügig voran und in 10 Jahren wird man eine
bessere Performance zu den gleichen Kosten oder dieselbe Performance zu niedrigeren
Kosten erhalten können. Um wie viel sich dieses Verhältnis verbessert, ist heute jedoch
nicht prognostizierbar.
- da die Energiepreissteigerung über mehr als 10 Jahre eigentlich nicht vorhersehbar ist.
Man kann zwar mit gegriffenen, durchschnittlichen 2%, 5 % oder 10 % pro Jahr rechnen.
Tatsache ist jedoch, dass eine einzige größere Krise oder ein Lieferstopp den Ölpreis
schlagartig dramatisch nach oben treiben würde, wie wir es in den letzten Jahren mehrfach
erlebt haben. Es ist stark anzunehmen, dass sich die Preisschere zwischen Biomasse und
fossilen Energieträgern öffnet, d.h. dass Biomasse sich nicht im selben Maße verteuert. Insofern liegen in 10 Jahren mit einiger Sicherheit deutlich günstigere finanzielle Randbedingungen vor, welche die Wirtschaftlichkeit der Holz-Heizung und Holz-KWK verbessern.
4.8 Kosten- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen unter Maßgabe einer Förderung im
BMWi-Förderkonzept „Energieeffiziente Stadt“
Für die Umsetzung einer CO2-neutralen Wärmeversorgung des Bürgerheims mit ca. 50%
Verringerungen der flächenspezifischen Wärmebedarfswerte, einer Hackschnitzelheizung,
Holz-KWK, sowie thermischer und photovoltaischer Solarenergienutzung, bestehen Aussichten auf die Aufnahme in das BMWi-Förderkonzept Energieeffiziente Stadt (EnEff:Stadt), da
bereits die jetzige Konzeptionsphase Bestandteil des Förderkonzeptes ist. Im Förderkonzept
werden investiv auch Investitionen für den Piloteinsatz neuartiger Techniken gefördert. Dies
dürfte im Modellvorhaben „Bürgerheim Biberach“ zumindest die Holz-KWK im innovativ kleinen Maßstab und in Zusammenspiel mit einer Solarthermiefläche betreffen. Das Gesamtkonzept mit Hackschnitzelheizung als Hauptwärmelieferant und Gas-Spitzen- und Schwachlastkessel ist auch in der Hydraulik und der gesamten Regelungstechnik anspruchsvoll und
deutlich innovativ, da hier konkurrierende regenerative Erzeugertypen wirtschaftlich harmonisch zusammengeführt werden. Ein weiteres Highlight eines Umsetzungs-Förderprojektes
ist die Absicht, die gewählte technische Versorgung in einer Contractinglösung umzusetzen.
Für die besonders innovativen Bausteine des Versorgungskonzeptes gehen wir in erster
Näherung von derselben Förderquote von 75 % wie in der jetzigen Konzeptphase aus. Dadurch entstehen, was die Wärmeversorgung und Stromproduktion betrifft, folgende Kalkulationsgrundlagen:
Die besonders innovativen Elemente der Heizzentrale werden zu 75 % durch das BMWi gefördert. Darunter fallen die Investitionskosten der Holzgas-KWK und die Solarthermie. 12 %
der Investitionskosten sind als Planungskosten anzusetzen. Auch für die Planungskosten
dieser innovativen Komponenten werden 75 % Förderung veranschlagt. Die Hydraulik fällt
durch die Solarthermie und das Holzgas-BHKW komplizierter aus als bei den StandardLösungen. Wir setzen 50 % Förderung durch EnEff:Stadt bei der Hydraulik an. Das HolzgasBHKW benötigt einen extra Lagerraum für die Premium-Hackschnitzel. Wir setzen 75% Förderquote bei den Investitionskosten für den Lagerraum an. Dabei wurde auch berücksichtigt,
dass die (allerdings deutlich geringeren) Tilgungszuschüsse der KFW durch die PTJ Förderung entfallen.
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Bild 4-13: Jahresvollkosten der Versorgungsalternativen in Anlehnung an VDI 2067 für die ersten 10 Jahre. Die Varianten 3 und 4 sind hier mit der voraussichtlichen Förderung eines
EnEff:Stadt-Vorhabens gerechnet. Die tabellarische Ermittlung findet sich in Anhang 6.
Durchschnittliche Jahresvollkosten der ersten 10 Jahre in €/a
230.000
225.000
220.000
215.000
210.000
205.000
200.000
V 0 (Referenz): G-K
V 1: H-K + G-K +
Solar
V 2: H-G + G-K +
G-KWK
V 3: H-K + G-K +
H-KWK
V 4: H-K + G-K +
H-KWK + Solar
Bild 4-14: Durchschnittliche Jahresvollkosten der ersten 10 Jahre unter Berücksichtigung einer
EnEff:Stadt-Förderung von 75 % für die besonders innovativen Komponenten (siehe oben).
Jahresvollkosten mit EnEff:Stadt Förderung Var 3 und 4
Referenz
180.452
189.024
Variante I
198.196
203.100
Variante II
157.498
163.814
Variante III
184.107
189.518
Variante IV
187.119
192.423
Jahr
1
2
198.106
208.232
170.498
195.156
197.948
3
207.729
213.603
177.572
201.032
203.704
4
217.925
219.226
223.526
207.156
209.702
5
228.729
225.113
231.451
213.541
215.952
6
240.176
231.276
239.841
220.197
222.465
7
252.307
237.731
248.724
227.138
229.255
8
265.160
244.490
258.130
234.376
236.333
9
278.781
251.570
268.092
241.926
243.712
10
Durchschnitt
225.839
223.254
213.914
211.415
213.861
Ergebnis: Unter Berücksichtigung einer EnEff:Stadt-Förderung starten die Jahresvollkosten
der Varianten 3 und 4 mit Holzheizung und Holz-KWK in den ersten Jahren im oberen Mittelfeld, etwa auf gleicher Höhe der Referenzvariante 0. Bereits im 5. Jahr sind die beiden HolzKWK-Varianten (Var. 3 und Var. 4) die wirtschaftlichsten Lösungen. Die 10-Jahres-Durchschnittswerte zeigen, dass die Holz-KWK-Varianten durch die angenommene Förderung
etwa auf das Niveau der konventionellen KWK-Lösung gebracht werden (Variante 2, Holzheizung, Gasspitzenlastkessel und Gas-BHKW).
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4.9 Zusammenfassende Gesamtbewertung der Versorgungsvarianten
4.9.1 Varianten-Gesamtbewertung
Die vergleichende, wirtschaftliche Teilbewertung erfolgte auf Basis der Jahresvollkosten über
die ersten 10 Jahre. Bei der Anrechnung der Förderung wurde eine Förderung durch die
KfW-Bank berücksichtigt und auch die Stromvergütung bei KWK-Technik. Beim ErdgasBHKW wurde vereinfacht davon ausgegangen, dass 50 % des Stroms selbst verbraucht und
50 % in das öffentliche Netz eingespeist wird. Beim Holz-BHKW wird die EEG-Förderung
ausgenutzt und 100 % Strom eingespeist. Weiterhin wurden (im Gegensatz zur Einzelbewertung in Abschnitt 4.6) für die Varianten 3 und 4 eine Modellprojektförderung im Rahmen des
Förderkonzeptes EnEff:Stadt angenommen (siehe Abschnitt 4.8). Primärenergie- und CO2Bilanzwerte sind jeweils mit Stromgutschriften der BHKW-Stromproduktion berechnet.
Aber neben der monetären Wirtschaftlichkeit gilt es bei einer Gesamtbewertung auch andere
Kriterien zu beachten, z.B. die Zielstellung einer nachhaltigen, umweltfreundlichen Energieversorgung, die Frage des technischen Risikos bzw. der Ausgereiftheit von Techniken, die
politische Signalwirkung und die Vermittelbarkeit des Konzeptes an die Bürger. Besonders
interessant scheint uns hier das Thema der CO2-neutralen Heizenergieversorgung.
Es folgt eine zusammengefasste stichwortartige Gesamtbewertung der Alternativen sowie
die Zusammenfassung der Für- und Wider Argumente in einer gewichteten Entscheidungsmatrix.
Variante 0: Gasbrennwertkessel (2 x 700 kW) = Referenzvariante
Diese Variante ist lediglich als Referenzlösung gedacht, um die Wirtschaftlichkeit der anderen Varianten im Vergleich dazu bewerten zu können. Sie ist mit 457.000,- € die bei weitem
kostengünstigste Variante in den Investitionskosten. Bei den durchschnittlichen Jahresvollkosten liegt die Referenzvariante auf Platz 5. Es wird nur fossiler Brennstoff zur Wärmeerzeugung genutzt. Dieses hat den vergleichsweise höchsten Einsatz an nicht regenativer
Primärenergie und die höchsten CO2-Emissionen zur Folge.
Sonstiges:
Das Erreichen eines KfW- Effizienzhaus bei der Sanierung von Gebäude 1 mit den dazugehörigen Tilgungszuschüssen von der KfW wäre hinfällig. Stromerzeugung ist bei dieser Variante nur über PV-Flächen möglich.
Variante 1: Holzhackschnitzelheizung 650 kW mit Gas-Spitzenlastkessel 1.400 kW und
Solarthermie 75 m² (HHS/G/Solarthermie)
- Alternative 1 liegt bei den Investitionskosten mit 1,17 Millionen € um mehr als Faktor 2 höher als die Referenzvariante, weist aber mit die günstigsten Investitionskosten im Vergleich
der untersuchten umweltfreundlichen Versorgungskonzepte auf.
- Im Jahresvollkosten-Ranking liegt sie auf Platz 4, ebenso im Einsatz nicht regenerativer
Primärenergie und den CO2-Emissionen
Sonstiges:
- Nutzung heimischer Ressourcen: Holz und Sonne
- Keine Kraft-Wärmekopplung
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Variante 2: Holzhackschnitzelheizung Erdgas-BHKW und Gas-Spitzenlastkessel
(HHS/G/Erdgas-BHKW)
- Investitionskosten mit 1,28 Mio € auf dem letzten Platz
- Platz 3 bei den Jahresvollkosten, beim Einsatz nicht regenerativer Primärenergie und den
CO2-Emissionen
Sonstiges:
- Erprobte Systemtechnik, geringes technisches Risiko
- Durch den Einsatz eines Erdgas-BHKW vergleichsweise simplere Systemtechnik als HolzBHKW, jedoch unter Verwendung eines fossilen Energieträgers
- Geringeres Verkehrsaufkommen als bei den 3 anderen umweltfreundlichen Varianten, weil
Erdgas-Einsatz
Variante 3: Holzhackschnitzelheizung, Holzvergaser-BHKW und Gas-Spitzenlastkessel
(HHS/G/HHS-BHKW)
- Unter Berücksichtigung der PTJ-Förderung mit 1,16 Mio € ähnlich günstige Investitionskosten wie Alternative 1.
- Niedrigste Jahresvollkosten im Vergleich, damit Platz 1
- Gemeinsam mit Variante 4 auf dem ersten Platz bezüglich des geringsten Einsatzes nicht
regenerativer Primärenergie und CO2-Emissionen
Sonstiges:
- Durch die BHKW-Befeuerung mit Holzhackschnitzeln erfolgt die Wärmeversorgung und
Stromproduktion (bis auf den Gas-Spitzen-/Schwachlastkessel) über Holz aus eigenen
Wäldern. Daher kommt diese Versorgungsalternative dem Ideal einer nachhaltigen Wärmeversorgung sehr nahe und wäre wohl auch in der Öffentlichkeit sehr gut als „Umweltfreundliche Wärmeversorgung“ vermittelbar.
- Zurzeit werden die ersten Anlagen errichtet, dadurch ergibt sich ein höheres technisches
Risiko. Ein Engagement in Richtung „Innovation“ ist somit beim Betreiber notwendig, allerdings kann dieses Engagement auch für eine verstärkt positive Öffentlichkeitswirkung (Modellprojekt) genutzt werden. Durch den relativ kleinen Leistungsanteil an der Gesamtwärmeversorgung wären etwaige Reparatur- oder Optimierungs-Stillstandszeiten des Holzvergaser-BHKW für den Betrieb der Bürgerheim-Areal-Heizung unkritisch.
- Eine starke positive Öffentlichkeitswirkung wäre so mit einem höheren Betreuungsaufwand
der Anlage verbunden. Dieser höhere Aufwand wurde in den Jahresvollkostenberechnungen berücksichtigt.
Variante 4: Holzhackschnitzelheizung, Holzvergaser-BHKW und Gas-Spitzenlastkessel
(HHS/G/HHS-BHKW/Solarthermie)
- Unter Berücksichtigung der PTJ-Förderung mit 1,17 Mio € ähnlich günstige Investitionskosten wie Alternative 1.
- Bei den Jahresvollkosten liegt sie knapp hinter Variante 3 auf Platz 2.
- Mit nur sehr geringen Unterschieden beansprucht sie gemeinsam mit Variante 3 den ersten
Platz beim Primärenergieeinsatz und den CO2-Emissionen.
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Sonstiges
- Der Beitrag der Solarkollektoren zur Deckung des Wärmebedarfs liegt bei nur 1%, aber das
bedeutet beim Wärmebedarf des Areals immerhin rund 28.000 kWh jährlich (=2.800 Liter
Heizöl)
- Wie bei Variante 3 gilt, dass Holz aus eigenen Wäldern zur Wärmeversorgung UND Stromproduktion eingesetzt wird. Zusätzlich soll in Variante 4 jedoch ein 75 m2 großes Solarkollektorfeld zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden. Die beiden bisher als konkurrierend betrachteten regenerativen Erzeuger Solarthermie und BHKW werden synergetisch als Gesamtsystem zur Minimierung von CO2-Emissionen und nicht regenerativer Primärenergieeinsatz betrieben. Somit ist dieses Energieversorgungskonzept das nachhaltigste, zukunftsweisendste und umweltfreundlichste unter den 5 Alternativen. Durch PV-Einsatz auf
den Gebäudedächern kann es zur bilanziellen Null-Heizenergielösung weiterentwickelt
werden.
- Zurzeit werden die ersten Anlagen errichtet, dadurch gibt es ein höheres technisches Risiko. Ein Engagement in Richtung „Innovation“ ist beim Betreiber notwendig, allerdings kann
dieses Engagement auch für eine verstärkt positive Öffentlichkeitswirkung (Modellprojekt)
genutzt werden. Durch den relativ kleinen Leistungsanteil an der Gesamtwärmeversorgung
wären etwaige Reparatur- oder Optimierungs-Stillstandszeiten des Holzvergaser-BHKW für
die Wärmeversorgung des Bürgerheim-Areals unkritisch.
- Eine starke positive Öffentlichkeitswirkung wäre so mit einem höheren Betreuungsaufwand
der Anlage verbunden. Dieser höhere Aufwand wurde in den Jahresvollkostenberechnungen berücksichtigt.
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4.9.2 Bewertungsmatrix für die Vorauswahl einer Variante
Bewertung
5 Punkte: 1. Platz
1 Punkt: Letzter Platz
Investitionskosten*
Mittlere Jahresvollkosten im
Jahr 1-10*
CO2-Emissionen, Umweltfreundlichkeit**
Ausgereifte Technik***
Eignung für Contracting
Vorbildcharakter, Innovation,
Ausstrahlung
Vermittelbarkeit des Konzeptes, Identifikation
Multiplikationsfähigkeit
Lokale, regionale Wertschöpfung
Verkehrsaufkommen
Gesamtpunkte gewichtet
Rangfolge
Wichtungsfaktor
Var. 0
G-K
Var. 1
H-K +
G-K +
Solarth.
Var. 2
H-K +
G-K +
G-KWK
Var. 3
H-K +
G-K +
H-KWK
Var. 4
H-K +
G-K +
H-KWK +
Solarth.
1
6
5
2
6
5
4
3
2
2
5
1
1
5
5
1
1
1
1
5
80
5
3
2
3
4
3
3
3
4
3
4
109
4
1
3
4
3
4
2
2
5
2
4
114
3
4
5
5
2
1
4
5
3
5
2
132
2
2
5
5
1
1
5
5
3
5
2
133
1
* Unter Annahme einer Förderung in EnEff-Stadt Förderkonzept
** CO2-Emissionen unter Berücksichtigung von BHKW-Stromgutschriften
*** Techn. Risiko ist bereits eingepreist in Jahresvollkosten unter Wartungskosten
Ergebnis:
Unter Berücksichtig der Projektzielsetzungen wäre in einem PTJ-Folgeprojekt zur Variante 3
oder 4 zu raten. Ohne PTJ-Förderung und ohne Ansprüche an Innovationskraft zeigt sich
Variante 2 als wirtschaftliche und vergleichsweise risikolose Lösung mit noch guten Ökobilanzwerten.
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5. Energieversorgungskonzepte in Varianten: Eignung für Contracting (KEA)
5.1 Aufgabenstellung
Für die Liegenschaften des Hospitals Biberach wurde im Oktober 2012 ein Energiekonzept
zur Niedrig- Energie- Quartiersentwicklung vorgelegt. In der Projektarbeitsgruppe wurden der
Stand, wesentliche Prämissen und die Weiterentwicklung des Konzepts sowie eine erste
Einordnung hinsichtlich der möglichen Umsetzung des Konzepts im Rahmen eines
Contractingprojektes besprochen. Die Aufgabe der KEA ist nun die Bewertung,
 inwiefern das vorgelegte Konzept notwendige Anforderungen erfüllt um Contracting
umgesetzt zu werden
 welche Möglichkeiten hinsichtlich des Standortes einer Heizzentrale bestehen (Kapitel 8)
5.2 Grundsätzliches zum Contracting
In den meisten Fällen sehen kommunale und öffentliche Liegenschaftsbesitzer das
Contracting als Finanzierungslösung, die es ermöglicht Sanierungen über kreditähnliche
Rechtsgeschäfte ohne zusätzliche Belastung des Investitionshaushaltes der Körperschaft
auf den Weg zu bringen. Tatsächlich ist der wesentliche Anreiz des Contractings die unter
Wettbewerbsbedingungen ergebnisoptimierte technische und wirtschaftliche Verbindung von
Finanzierung, Planung, Optimierung und energieeffizienten Betrieb durch den Contractor.
Der Nutzen von Contractingprojekten zeigt sich insbesondere dann, wenn durch eine Grobkonzeption sowohl Maßnahmen zur Reduzierung des Energiebedarfs mit Maßnahmen zur
effizienten Energieversorgung kombiniert werden, wie dies in Einspar- oder
Erfolgscontractingverfahren der Fall ist. Die Erfahrungen aus zahlreichen am Markt ausgeschriebenen Contractingprojekten der KEA zeigt, dass die Sanierung von durchschnittlichen
Bestandsanlagen der technischen Gebäudeausrüstung und der Energiebereitstellung Energieeinsparungen von mehr als 60% garantiert und erzielt werden können. Gleichwohl dürften
weniger als 5% des gesamten Investitionsvolumens für Energieeffizienzmaßnahmen über
Contracting umgesetzt werden. Ursache sind häufig fehlende Informationen bei Entscheidungsträgern und die immer noch große Unsicherheit der öffentlichen Verwaltungen beim
Umgang mit dem „neuen“ Instrument. Im Sommer 2012 hat das Umweltministerium die
Contracting- Offensive Baden- Württemberg ins Leben gerufen, deren Ziel es ist, bestehende
inhaltliche und formale Hemmnisse zu identifizieren und in gemeinsamen Arbeiten von Gebäudeeigentümern, Energiedienstleistern, Planern, Architekten zu deren Beseitigung beizutragen.
5.2.1 Eigenlösung
Die Umsetzung von Sanierungsmaßnahmen wird von öffentlichen und Regierungsverwaltungen immer noch bevorzugt in „Eigenregielösungen“ vorgenommen. Dabei werden eine
Mischfinanzierung von Bank- und öffentlicher Finanzierung und eine klassische Projektstruktur gebildet. In dieser Projektstruktur wird der Sanierungsprozess des Gebäudes von dessen
anschließender Betriebsphase getrennt: hierzu beauftragt und steuert der Bauherr Architekten, Planer, Handwerker. Die eingeschränkten öffentlichen Mittel führen häufig zu einer Aufteilung von Sanierungsvorhaben in mehrere Schritte mit der Folge technisch und wirtschaftlich sub-optimaler Sanierungsergebnisse und steigender Sanierungskostenbudgets.
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Nach Abschluss der „Eigenregiesanierung“ geht die Verantwortung für den Betrieb und die
Energiebilanz des Gebäudes an den Eigentümer über. Die Erfahrung in Baden- Württemberg
zeigt, dass weniger als 15% der öffentlichen Verwaltungen ein professionelles Energie- und
Gebäudemanagement betreibt, was zur Folge hat, dass 85% der Energieeffizienzpotentiale
im Wesentlichen unerschlossen lassen.
5.2.2 Energieliefer- und Energieeinsparcontracting
Der Fokus von Energieliefercontractingprojekten liegt in der Regel auf der Sanierung von
Heizzentralen, bedarfsseitige Maßnahmen sind in der Regel ausgeschlossen. Im Hinblick auf
die ehrgeizigen Zielsetzungen der Energiewende und der Klimaschutzpolitik des Bundes
kann bei der Sanierung des Gebäudebestands die Energieversorgung nicht von der Optimierung des Energiebedarfs getrennt werden. Vor diesem Hintergrund ist die Gestaltung von
Versorgungskonzepten ohne Optimierung der Energiebedarfssituation ein eher ungenügender Ansatz. Häufig wird bei der Erstellung von Sanierungskonzeptionen als Prämisse vorausgesetzt, dass das Investitionsbudget des Gebäudeeigentümers ohnehin nur die Umsetzung einer optimierten Versorgungslösung zulassen dürfte. Genau diese Argumentation ist
jedoch bei konsequenter Anwendung des Werkzeugs „Contracting“ recht einfach widerlegbar.
In den vergangenen Jahren haben daher einzelne Projektentwickler versucht, durch die Einbeziehung von bedarfsseitigen Maßnahmen die Gesamtperformance von
Energieliefercontractingprojekten deutlich zu verbessern. Die Erfahrungen zeigen, dass sich
auch ohne vertraglich gebundene Einspargarantie der Energiebedarf von Liegenschaften
durch bedarfsseitige Maßnahmen um 10-20 % reduzieren lässt. Typische Handlungsansätze
sind dabei die Sanierung von Trinkwarmwasserbereitern, Lüftungsanlagen und Teilen der
zugehörigen Verteilnetze aber auch der Einsatz einer übergeordneten Gebäudeleittechnik.
Das Energieeinsparcontracting hingegen wurde in den letzten 10 Jahren zu einem hochattraktiven Werkzeug entwickelt, mit dem sich die Probleme begrenzter öffentlicher Mittel und
andere Schwachstellen der „Eigenregie“ Sanierungsmaßnahmen beseitigen und die wesentlichen Risiken weitgehend auf den Energiedienstleister delegieren lassen. Das
Einsparcontracting ist ein hervorragendes Instrument um bedarfsseitige Maßnahmen wie
z.B. Heizung, Lüftung, Kühlung, Beleuchtung, und regelungstechnische Maßnahmen mit der
Sanierung der Energieerzeugung kombiniert zu sanieren. Im Einsparcontracting kommen in
der Regel keine Energielieferverhältnisse zu Stande. Damit kann eine in den letzten 12 Monaten verschärfte Regelung, demgemäß eigenerzeugter- und genutzter KWK- Strom bei
Energieliefercontractingverträgen mit der EEG- Abgabe belegt werden muss, elegant umgangen werden.
Vergleiche zwischen Contracting und Eigenlösung lassen den Schluss zu, dass sowohl die
Investitionen, die laufenden Betriebskosten und die Gesamtenergieeffizienz bei Energiedienstleistungen deutlich günstiger liegen als dies bei einer Umsetzung in Eigenregie durchschnittlich der Fall ist.
Contractingprojekte werden stufenweise entwickelt, aufgrund der Komplexität der Aufgabenstellungen werden gerade öffentliche Gebäudeeigentümer in der Regel von Projektentwicklern unterstützt. Nach der Erstellung eines Handlungskonzepts und der grundsätzlichen EntBürgerheim Biberach
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scheidung für die Umsetzung eines Contractingprojektes muss in der Regel mindestens beschränkt ausgeschrieben werden. Ein beispielhafter Ablauf ist in Abbildung 5.2 dargestellt.
Die Klimaschutz- und Energieagentur des Landes Baden- Württemberg hat sich zusammen
mit anderen Projektentwicklern, wie z.B. Ebert-Ingenieure in den vergangenen Jahren als
Entwickler von Contractingprojekten etabliert. Die Aufgabe der Projektentwickler ist die Implementierung von Energieeffizienz und erneuerbaren Energien mittels ganzheitlicher Energiekonzepte, Energiemanagement und der Entwicklung von ESC Projekten. Inzwischen liegt
allein in Baden- Württemberg eine Expertise aus über 50 Contractingprojekten in Kommunen
vor.
Maßnahmen
Energieliefercontracting
Energieeinsparcontracting
Bedarfsseitige Maßnahmen:
Gebäudeleittechnik
selten
X
Warmwasserbereitung, Zirkulation
selten
X
Lüftungsanlagen
selten
X
Heizflächen
selten
selten
Verteilnetze Heizung, Lüftung, Warmwasser
-
-
Beleuchtung
-
X
Heizungsverteiler, Pumpen, Mischer
x
X
Erzeugungsseitige Maßnahmen:
x
X
-Nahwärmeleitungen
x
X
- Biomasseanlagen
x
X
-KWK
x
X
-Wärmepumpenanlagen
x
X
Bild 5-1: Typische Maßnahmenbündel aus den Contractingverfahren der letzten 5 Jahre
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Teil 1: Handlungsbedarf, Investitions- und Jahreskosten
verschiedener Versorgungsvarianten klären
Contractingvariante klären (Teil 1 )
Festlegung ob Energieliefercontracting oder Energieeinsparcontracting im GR
 Teil 2: Ausschreibung bis zur Vertragsunterschrift und Umsetzung
Einsparcontracting
Energieliefercontracting
Teil 2 Einsparcontracting:
Erstellung funktionale Vergabeunterlagen
Teil 2 Anlagencontracting: Erstellung funktionale Vergabeunterlagen (KEA)
Teil 2 Ausschreibung VOB
Einsparcontracting (KEA)
Teil 2: Ausschreibung VOB
Anlagencontracting (KEA)
Teil 3 Variante Einsparcontr.:
Vergabeverhandlungen mit 3
besten Bietern
Teil 3 Variante Anlagencontract.
Vergabeverhandlungen mit 3 besten Bietern
Vergabe der Feinplanung an den besten Bieter
Vergabe an wirtschaftliches Angebot
direkt zur Umsetzung
Überprüfung der Feinplanung durch KEA und
AG. Bei Einhaltung Konvergenzkriterien nächster Schritt: Vergabe der Umsetzung
Umsetzung durch besten Bieter auf der
Grundlage der Feinanalyse
ENDE Teil 3
Umsetzung durch besten Bieter auf der
Grundlage des verhandelten Angebots
Ende Teil 3
Bild 5-2: Ablauf eines Contractingprojektes am Bsp. des Landkreises Biberach 2009-11
5.3 Erfüllt das vorgelegte Konzept Mindestanforderungen um im Contracting umgesetzt werden zu können?
Um einschätzen zu können, inwiefern das Niedrig- Energie- Quartier- (NEQ)- Konzept im
Hospital Biberach im Rahmen eines Contractings umsetzen zu können, werden nachfolgend
einige Kriterien betrachtet, die für eine Contractingumsetzung wesentlich sind.
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5.3.1 Verlässlich dokumentierte Ausgangssituation
Die Ausgangssituation der Energieversorgung muss ausreichend mit jährlichen und monatlichen Verbrauchswerten für Strom und Wärme, sofern möglich und notwendig, noch Dampf
und Warmwasser dokumentiert sein. Weiter müssen die bauphysikalisch relevanten Eckdaten der Bestandsgebäude dokumentiert vorliegen. Das vorgelegte Konzept erfüllt diese Anforderungen.
5.3.2 Nachvollziehbare Ansätze zur künftigen Entwicklung des Energiebedarfs
Wesentlich für die Gestaltung eines Contractingprojektes ist die nachvollziehbar aufbereitete
Prognose für den künftigen Energiebedarf während und nach Abschluss der bedarfsseitigen
Maßnahmen durch geeignete Rechenmodelle. Hierzu gehören transparente Darstellung der
Maßnahmen, die an der Gebäudehülle und der technischen Gebäudeausrüstung (Lüftung,
Heizungsverteilung, Gebäudeleittechnik Warmwasserbereitung- und Verteilung etc.) durchgeführt werden und die Bilanzierung der jeweiligen Veränderungen und Ergebnisse im
Strom- und Wärmebedarf. Da bedarfsseitige Maßnahmen im Wesentlichen nicht vorgesehen
sind, ansonsten mit einem Anstieg des Wärme- und Strombedarfs durch Zubau von Gebäudeflächen zu erwarten ist, muss das Hauptaugenmerk auf die Zubausituation gelegt werden.
Die bisher vorliegenden Rechenansätze des „Szenarios 2020“ bieten die Möglichkeit in der
Umsetzungsphase mit einer hinreichenden Transparenz und Nachvollziehbarkeit den Basisenergiebedarf einer Versorgungslösung festlegen zu können.
5.3.3 Mittelfristige Belastbarkeit der Energiebedarfsprognose
Heizzentralen und deren wesentlichen technischen Komponenten weisen eine durchschnittliche technische Lebensdauer von 15-20 Jahren aus. Idealerweise sollte die Heizzentrale so
ausgelegt werden, dass in diesem Zeitraum eine effiziente Versorgung ohne Unterdeckung
bzw. größere unwirtschaftliche Überkapazitäten erfolgen könnte. In der Praxis werden Bedarfskonzepte mit Betrachtungszeiträumen > 5 Jahre nur selten aufgestellt werden können.
Dies hat häufig zur Folge, dass mit diesem Planungshorizont ausgelegte Heizzentralen bereits in wenigen Jahren z.B. durch schrittweise, zum Planungszeitpunkt nicht erkennbare
Wärmedämmmaßnahmen überdimensioniert sind und damit die Wirtschaftlichkeit der Erzeugungsanlagen ungünstig beeinflusst werden. In Contracting- Projekten hat dies zur Folge,
dass die Kalkulation angepasst werden muss und ggf. Wärmepreise erhöht werden müssten.
Anhand der in diesem Konzept erstellten mittelfristigen Planungen dürfte mit dem „Szenario
2020“ eine gute und mittelfristig belastbare Datengrundlage für die bedarfsorientierte Auslegung einer Heizzentrale vorhanden sein.
5.3.4 Nachvollziehbare Ziel- Primärenergiebilanz
Die Zielsetzung des NEQ- Konzepts ist eine Primärenergiebilanz, die sich nach Abschluss
der Sanierungsstufen 1 und 2 ergeben soll. Um diese Primärenergiebilanz zu erreichen sieht
das Konzept die Umsetzung einer entsprechenden Versorgungslösung vor. Die Ziel-Primärenergiebilanz ist im Wesentlichen auf den Einsatz von KWK- und Biomasse bezogen und im
derzeitigen Stand ausreichend transparent. Grundsätzlich dürfte bei einer eindeutigen Vorgabe der Zielwerte für die Primärenergiebilanz die Umsetzung z.B. einer Kombination aus
Erdgas- KWK, Biomassekessel und fossilen Spitzenlastkesseln im Rahmen von
Contractingprojekten möglich sein.
@ssmann gruppe
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5.3.5 Anforderungen an den Einsatz innovativer Technologien erzeugerseitig
Die Konzeption sieht in der Variante I und II die Kombination aus Biomassekesseln mit oder
ohne Erdgas- BHKW und fossilen Spitzen- und Redundanzkesseln vor. Vergleichbare Lösungsansätze sind bereits in Energieliefer- und Energieeinsparcontractingprojekten mit sehr
guten, teilweise hoch wirtschaftlichen Ergebnissen umgesetzt worden. Es kann davon ausgegangen werden, dass einige Energieliefer- und Energieeinsparcontractoren in Süddeutschland vergleichbare Lösungen auf der Basis eigener Betriebserfahrungen anbieten
werden.
Die Konzeption sieht in der Variante III den Einsatz einer Biomasse-KWK gemeinsam mit
Biomasse- und fossilen Redundanzkesseln vor. Contracting-Lösungen haben in der Vergangenheit wesentlich dazu beigetragen, dass nahe der Marktreife befindliche Technologien wie
z.B. Biomassekesselanlagen in Baden- Württemberg schneller Verbreitung finden. Ein wesentliches Argument aus der Sicht von Kunden, die nur über geringe Eigenkompetenz beim
Betrieb komplexer Anlagen verfügen, ist, dass der Contractor die Risiken aus der Planung,
dem Bau und dem Betrieb übernimmt. Die Erwartungshaltung der Kunden ist dabei, dass der
Contractor aus dem Betrieb mehrerer Anlagen mit der Zeit eine entsprechende Erfahrung
und Kompetenz schneller aufbauen muss, um entsprechende Betriebsrisiken übernehmen
zu können. Die Erfahrung aus entsprechenden Pilotprojekten wiederum ist notwendig, um
die Dienstleistung „Contracting“ über 15 oder 20 Jahre Vertragslaufzeit kalkulierbar zu machen.
Die KEA verfügt über keine eigenen Erfahrungen mit dem Einsatz von Biomasse-BHKW. Die
Projektgruppe des EnEff:Stadt-Modellvorhabens hat in den letzten Wochen eigene Erhebungen zu Biomasse-KWK-Anlagen durchgeführt. Demnach wird davon ausgegangen, dass die
seit Jahren bekannten Probleme mit Teerbildung an sensiblen Funktionseinheiten des
BHKW- Motors zwischenzeitlich mit standardisierten technischen Lösungen beseitigt werden
konnten. Ein weiterer positiver Indikator für diese Einschätzung wäre es, dass der von der
Projektgruppe angefragte Hersteller der Biomasse-KWK-Anlage einen Wartungs- und
Instandsetzungsvertrag für seine Anlagen anbietet. Inwiefern dies der Fall sein wird, muss im
Zuge der Umsetzungsphase erkundet werden. Ein möglicher Lösungsansatz könnte dabei
sein, dass zu Beginn eines Contractingvertragsverhältnisses eine Experimentierphase stattfindet, bei der beide Seiten eine realistische Einschätzung der bestehenden Chancen und
Risiken sammeln können, die später als Grundlage für eine vertragliche Gestaltung herangezogen werden kann.
Zusammenfassend kann festgestellt werden:
Das „Szenario 2020“ ist nachvollziehbar aufbereitet und ermöglicht die Kalkulation
von Contractingangeboten. Die in Variante I und II dargestellten technischen Lösungsansätze können problemlos sowohl im Einspar- als auch im Energieliefercontracting umgesetzt werden, hier dürfte ein entsprechend lebhafter Wettbewerb zu
erwarten sein. Die Variante III erfordert nach unserer Einschätzung eine gemeinsame
„Lernphase“ um die Risiken kalkulier- und zuordenbar vertraglich auszugestalten.
Eine solche Vorgehensweise könnte ein „Türöffner“ für diese Technologie sein.
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6. Konkrete Möglichkeiten für Contractinglösungen (@ssmann gruppe)
6.1 Sondierungen mit regionalen, auf Biomasse spezialisierten Contracting-Anbietern
Die Möglichkeiten, eine Contractinglösung in der Praxis überhaupt umzusetzen, wurden mit
Vertreten von regionalen, auf Biomasse spezialisierten Contractinganbietern, sowie Forstdirektor Hans Beck, am 8.2.2013 in einer Arbeitssitzung des Projektteams diskutiert. Dabei
ging es nicht darum, die eingeladenen, potenziellen Anbieter vorab zu favorisieren, sondern
darum, die konkreten Möglichkeiten für eine Contractinglösung im ersten Kontakt mit der
Anbieterseite insgesamt zu sondieren.
Grundsätzlich ist festzuhalten, dass das anfallende Restholz aus dem 1.700 ha großen
Waldbestand des Hospitals (und ggfs. 700 ha der Stadt Biberach) ausreichen würde, um
eine Hackschnitzelheizung des Bürgerheims zu versorgen. In den letzten Jahren fielen jährlich 2.500 – 2.700 Schüttraummeter (SRM) Restholz in den Hospitalwäldern an. Rund 4.000
SRM/a werden gebraucht. Laut Forstamt wäre es kein Problem, die Holzgewinnung entsprechend auszuweiten. Die Brennstoffversorgung wäre sichergestellt.
Der Hospital würde das Holz einem Verarbeiter zur Verfügung stellen, der für das Hacken,
den Transport und ggfs. die Trocknung sorgt. Hier arbeitet der Hospital z.B. schon seit Jahren mit der Firma Halder, Bad Waldsee, zusammen. Besonders an die Hackschnitzel für das
Holz-BHKW werden dabei hohe Anforderungen gestellt, z.B. sollten diese nur einen Wassergehalt von 10 – 15 % (W10 – W15) aufweisen.
Für das Bürgerheim Biberach würde nach Einschätzung des Projektteams kein Einsparcontracting in Frage kommen, da im Projektzeitraum „Umsetzung“ nur eine einzige größere Sanierung stattfinden soll, wenn überhaupt (Gebäude 4, Roter Bau). Stattdessen wird ein
Energieliefercontracting die sinnvollste Lösung sein. Als Energieliefer-Contracting werden
Projekte bezeichnet, bei denen der Contractor die Energieerzeugungsanlage auf eigenes
Risiko und Kosten auf der Basis von langfristigen Verträgen mit seinem Kunden entweder
plant, finanziert, errichtet und betreibt oder eine vorhandene Anlage übernimmt und für die
Vertragsdauer die volle Anlagenverantwortung samt Betrieb und Instandhaltung trägt. Die
Anlagen sind dabei normalerweise für die Dauer des Contractingvertrages im Besitz des
Contractors.
Die vom Projektteam vorgeschlagene Anlagenkonstellation (Variante 4) besteht aus
- Hackschnitzelkesselanlage mit Hackschnitzellager und Fördereinrichtung 500 kW
- Gas-Spitzen- und Schwachlastkessel 1400 kW
- Pufferspeicher 27 m3
- Holz-BHKW 45/105 kW mit Hackschnitzellager für Premium-Hackschnitzel
- Solarthermie 75 m2
- Übergreifender Hydraulik und Regelungstechnik
Von Seiten der Contractinganbieterseite lautet der Vorschlag, für die Gesamtanlage außer
dem BHKW ein Energieliefercontracting zu vereinbaren und das Holz-BHKW dabei über einen sogenannten Beistellvertrag einzubinden. Das Holz-BHKW würde dabei im Eigentum
des Hospitals verbleiben, für Wartung und maximale Verfügbarkeit wäre der Contractor vertraglich zuständig. Damit verkauft der Contractor im Falle der wünschenswerten StromBürgerheim Biberach
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Eigennutzung keinen Strom an das Bürgerheim und somit müssen die 5 Ct/kWh EEGUmlage für den Stromverkauf nicht bezahlt werden.
Um realitätsgerechte Wartungskostenpauschalen für das Holz-BHKW langfristig festzuschreiben, wäre eine „Lernphase“, wie von der KEA vorgeschlagen sinnvoll. Es könnten beispielsweise die Wartungskosten der ersten zwei Jahre nach Aufwand abgerechnet werden,
nach dieser Lernphase würden die angefallenen Arbeiten und Kosten Kalkulationsgrundlage
für den langfristigen Vertrag. Weiterhin wäre es denkbar, den Contractor per Vertragsklausel
an den Stromerlösen des BHKW zu beteiligen, um sicherzustellen, dass er sich um eine
möglichst hohe BHKW-Verfügbarkeit kümmert. Bei einer Beteiligung von 50 % an den
Stromerlösen wären die Wartungskosten vermutlich in etwa abgedeckt.
Im Förderkonzept EnEff:Stadt werden investiv auch Investitionen für den Piloteinsatz neuartiger Techniken gefördert. Dies betrifft im Modellvorhaben „Bürgerheim Biberach“ die HolzKWK im innovativ kleinen Maßstab und in Zusammenspiel mit einer Solarthermiefläche, einer Hackschnitzelheizung und einer Erdgas-Kesselanlage. Auch die Regelungstechnik ist
anspruchsvoll und deutlich innovativ, da hier konkurrierende, regenerative Erzeugertypen
wirtschaftlich harmonisch zusammengeführt werden. Unter Annahme einer Förderquote von
75 % (wie in der Konzeptphase) für die besonders innovativen Bausteine könnte sich eine
investive Förderung von ca. 200 – 250 T € ergeben.
Investive Förderung kann es jedoch nur für die Beträge geben, die während der Projektlaufzeit auch investiert werden. Nun ist eine übliche Eigenschaft des Energieliefer-Contracting ja
die, dass der Contractingnehmer dem Contractor über 10, 15 oder 20 Jahre monatliche Raten bezahlt, mit denen der Contractor seine Kapitalkosten, Brennstoffkosten, Wartungskosten etc. plus Gewinnmarge abdeckt. In den 3 – 4 Jahren eines Modellprojektes fallen damit
nur ein Bruchteil der Investitionskosten an, die eigentlich entstanden sind. Und nur dieser
Bruchteil könnte dann gefördert werden.
Ein möglicher Weg für das Erlangen der Gesamtförderung wäre daher folgender: Der
Contractingnehmer Hospital finanziert die gesamte Anlage oder zumindest den innovativen
Teil selbst. Eine Finanzierung der Gesamtanlage enthebt dabei von den Schwierigkeiten,
genaue Schnittstellen zwischen innovativem und nicht innovativen Teilen zu definieren (Beispiel: Pufferspeicher und Regelung dienen sowohl dem innovativen als auch konventionellen
Anteiles der Wärmeerzeugung). Die Investition wäre somit vom Zuwendungsempfänger getätigt und könnte damit auch gefördert werden. Das Energieliefercontracting wäre in diesem
Fall auf ein sogenanntes „Betreibercontracting“ reduziert.
Für den Contractingvertrag würde dies bedeuten, dass die monatlichen Contractingraten um
die (sonst anfallenden) Kapitalkosten des Contractors vermindert werden. Sollte der Hospital
das Budget zur Verfügung haben, um die Anlage zu finanzieren, darf dabei von der wirtschaftlichen Vorteilhaftigkeit der Eigenfinanzierung ausgegangen werden, denn die Sollzinsen, welche der Contractor bezahlen müsste, würden sich in den Contractingraten niederschlagen, während für die Anlage dieser Summe auf dem Kapitalmarkt durch den Hospital
lediglich die niedrigeren Habenzinsen zu erwarten sind.
@ssmann gruppe
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6.2 Hinweise Contractingberatung zu den Inhalten der Sondierungen
Zu diesen Gesprächsthemen und Ergebnissen gab es von Seiten der KEA, deren Vertreter
leider nicht an dem Gespräch teilgenommen hatte, folgende, hier zusammengefasst wiedergegebene Vorschläge zur Protokollveränderung des Arbeitsgesprächs:
- Besser wäre es, den Contractor für die Gesamtperformance der Energielieferung verantwortlich zu machen, mindestens bis zur Energielieferung an den „Gebäudeeingang“. Zukünftige Änderungen und Erweiterungen des Wärmenetzes müssten dazu vorab vertraglich festgelegt werden.
- Eine Fremdfinanzierung durch den Contractor ist (nach Auffassung der KEA) in der Regel
nur unwesentlich ungünstiger als eine Eigenfinanzierung durch den Contractingnehmer.
- Die EEG Umlage für den bei Selbstnutzung vom Contractor an den Contractingnehmer
würde auch bei Umsetzung eines Einsparcontracting entfallen.
- Fabrikate der einzusetzenden Komponenten sollten in einer Contracting-Ausschreibung
nicht genannt werden.
6.3 Verwendung von Restholz aus hospitaleigenen Wäldern für Heizung und Stromerzeugung
Zu den Möglichkeiten einer Vertragsgestaltung und Umsetzung des Einsatzes von „Hospitalwald-Restholz“ hat das Projektteam beim Biomasse.Energie.Netzwerk B.E.N. um eine
vorläufige Einschätzung gebeten, da Mitgliedsfirmen dieses Netzwerks bereits mit dem
Forstamt Biberach zusammenarbeiten, und somit die Sachlage und ihre Randbedingungen
kennen. Folgende Stellungnahme erreichte uns am 22. Februar 2013:
Der Forst der Hospitalstiftung Biberach umfasst ca. 1.700 ha Wald und soll die Grundlage
der künftigen Brennstoffversorgung mit regenerativer Holzenergie der Energiezentrale des
Bürgerheims Biberach dienen. Der Forstdirektor des Spitalwaldes, Herr Hans Beck hat in der
Arbeitssitzung am 8. Februar 2013 erklärt, dass der Spitalwald über ausreichend Rohstoffe
zur Energieholzerzeugung (rund 4.000 Schüttraummeter) verfügt. Herr Beck bestätigt weiter,
dass der Spitalforst den gehobenen Ansprüchen an die Rohstoffqualität für die Hackschnitzelerzeugung zur Holzvergasung sicherstellen kann. Voraussetzung ist jedoch, dass die
marktübliche Wertschöpfung (Erlöse) für die Rohstoffbereitstellung dem Spitalwald zukommt.
Nachdem der Spitalwald weder über entsprechende Aufbereitungstechnik (Hacker) noch
Logistik, noch Depotlager verfügt, bedarf es der Dienstleistung dritter Unternehmen. Das
Unternehmen Halder GmbH aus Bad Waldsee – Kümmratshofen arbeitet schon jahrelang
mit dem Spitalforst zusammen und verfügt über Hacker- und Logistiktechnik und entsprechende Lagermöglichkeiten, beziehungsweise kann erforderliche Lagerkapazitäten einrichten. Zur Gewährleistung der zur Holzvergasung erforderlichen Hackschnitzelqualität ist außerdem eine Vortrocknung erforderlich. Die Vortrocknung auf ca. 15% Restfeuchte ist durch
eine mehrmonatige Trocknung im Zwischenlager und nachfolgende technische Trocknung
zum Beispiel durch Abwärme einer Biogasanlage möglich. Die BiomasseEnergieNetzwerk
eG verfügt bereits über verschiedene Kontakte zu Biogasanlagenbetreibern mit Trocknungsmöglichkeiten im Stadtgebiet Biberach.
Die Vergütung des Rohstoffes für die Energieholzerzeugung an den Spitalwald würde bei
einem Contracting-Betreibermodell und/oder Beistellungsmodell (Holzvergasungsanlage)
über den Contractor und Hackschnitzelunternehmer erfolgen. Mit dem Spitalforst würde ein
@ssmann gruppe
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Preis zum Liefer- bzw. Vertragsbeginn vereinbart, welcher mittels Energieholz-Preisentwicklungsindizes fortschreiben würde. Geeignete Indizesnotierungen werden zum Beispiel
von Statistischen Bundesamt geführt. Die Abrechnungs- und Rohstoffbereitstellungsmodalitäten würden in einem Langfristvertrag mit dem Spitalforst vereinbart. Der Preis und die
Preisentwicklung würden 1:1 in die Verträge mit dem Contractor einfließen.
6.4 Fazit Contracting
Auch eine, wie im Modellprojekt angestrebte, sehr innovative Lösung mit regenerativen
Energien ist im Contracting umsetzbar. Allerdings muss ein auf dieses Projekt zugeschnittenes Vertragsmodell geschaffen (ausgeschrieben und verhandelt) werden. Deutlich wird
schon jetzt, dass langfristige Verträge für die Holz-KWK auf Basis einer sogenannten „Lernphase“ angestrebt und geschlossen werden sollten.
@ssmann gruppe
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7. Exergetische Analyse – Variantenvergleich der Energieerzeugung auf Basis der
exergetischen Bewertung (Hochschule Biberach)
Jedem Masse- bzw. Energiestrom kann ein Exergiestrom zugeordnet werden. Exergie beschreibt dabei den prinzipiell unbeschränkt umwandelbaren und technisch nutzbaren Anteil
der enthaltenen bzw. transportierten Energie. Der andere, aus sich heraus nicht mehr umwandelbare Anteil wird Anergie genannt, sodass Exergie + Anergie stets gleich der jeweils
betrachteten Energie sind. Welcher Anteil einer bestimmten Energiemenge bzw. eines Energiestroms unbeschränkt, d. h. in jede andere Energieform umwandelbar ist, ergibt sich aus
dem 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Entsprechend den derartigen Betrachtungen
zugrunde liegenden thermodynamischen Vergleichsprozessen hängt die Umwandelbarkeit
von Energie – und damit ihr Exergiegehalt – stets vom Zustand (Temperatur, Druck, chemische Zusammensetzung) der jeweiligen Referenzumgebung ab. Für die exergetische Bewertung üblicher technischer Prozesse wird i. d. R. die Außenatmosphäre der Erde am jeweiligen Standort als Referenzumgebung gewählt, weil die im Prozess nicht mehr nutzbare bzw.
nicht genutzte Energie meist als Abwärme dorthin abgeführt wird.
Erst eine Exergieanalyse ermöglicht die vollständige Beurteilung der thermodynamischen
Qualität von Stoff- und Energiewandlungsprozessen, weil dabei neben der Quantität Energie
mit Hilfe des Begriffs der Exergie die thermodynamische Qualität, d. h. das gesamte physikalische Potenzial der betrachteten Energieformen, bewertet wird. Dies lässt sich anhand einer
sehr wichtigen Prozessklasse, der Verbrennung von Brennstoffen, verdeutlichen:
Moderne Feuerungskessel weisen heute hohe energetische Wirkungsgrade auf, d. h. die
Abgas- und Wärmeverluste sind sehr gering, sodass ein sehr großer Anteil der im Brennstoff
enthaltenen Energie, z. B. über 80 %, in technisch nutzbare Wärme umgewandelt wird. Wie
hoch der exergetische Wirkungsgrad ist, hängt jedoch davon ab, auf welchem Temperaturniveau die Wärme bereitgestellt und bei welcher Temperatur sie benötigt, d. h. letztendlich
genutzt wird. Je tiefer diese Temperaturen sind, desto geringer ist der Exergiegehalt der
Wärme. Wird die Wärme bei hoher Temperatur zur Stromerzeugung eingesetzt, wird ein
großer Anteil der im Brennstoff ursprünglich enthaltenen Exergie genutzt (elektrische Energie
ist unbeschränkt umwandelbar und somit reine Exergie). Die Nutzung der aus einer Feuerung stammenden Wärme für die Raumheizung, d. h. auf einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau, ist dagegen mit großen Exergieverlusten verbunden, auch wenn die Energieverluste sehr gering sind.
Auch komplexe Prozesse und Prozesscluster, wie sie bei komplexen Sanierungsvorhaben
sowie Optimierungen von Versorgungsstrukturen vorkommen, lassen sich mit Hilfe der
exergetischen Analyse thermodynamisch gut bewerten. Aus derartigen Gesamtbewertungen
ergibt sich, dass Nutzenergiebedarfe mit geringen Exergieanteilen möglichst von
niederexergetischen Energiequellen gedeckt werden sollten, um die Energiequalität
(= Exergiegehalt) im gesamten System weitestmöglich zu wahren und eine Entwertung der
Energie zu begrenzen. Ein in diesem Sinne effizienter Energieeinsatz ist gleichbedeutend mit
einer möglichst guten Ausnutzung des Exergieanteils.
@ssmann gruppe
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Da sowohl nicht erneuerbare also auch erneuerbare Energieformen grundsätzlich knappe
Güter sind, sollten alle eingesetzten Primärenergien nicht nur energetisch, sondern auch
exergetisch effizient genutzt werden. Im Falle des Bürgerheims Biberach ist der erneuerbare
und großteils CO2-neutrale Energieträger Holz eine der zu untersuchenden Hauptoptionen
für die künftige Wärmeversorgung des Areals. In einer klassischen CO2-Bilanz oder Primärenergiebilanz nach Energieeinsparverordnung EnEV [7-1] (bei der ausschließlich nicht erneuerbare Primärenergien angerechnet werden), schneidet der Einsatz von Holz grundsätzlich sehr gut ab. Energetisch gesehen beinhaltet Holz zwar einen hohen Anteil erneuerbarer
Energie, jedoch ist der erforderliche Gesamtprimärenergieaufwand an nicht erneuerbarer +
erneuerbarer Energie etwas größer als der von Erdgas. Die Frage, wie effizient der wertvolle
Energie- und Rohstoff Holz genutzt wird bzw. genutzt werden kann, wird erst aus einer
exergetischen Analyse deutlich, bei der unterschiedliche Nutzungen des hochexergetischen
Energieträgers Holz, wie z. B. reine Wärmeerzeugung vs. Holz-BHKW zur gekoppelten
Wärme- und Stromerzeugung, exergetisch verglichen werden.
Im aktuellen Projekt wird Holz insbesondere deshalb präferiert, weil es aus nachhaltig bewirtschafteten eigenen Waldflächen des Trägers des Bürgerheims gewonnen werden kann.
Auch wenn diese Flächen im vorliegenden Fall als eigenes Eigentum direkt zur Verfügung
stehen, müssen sie außerhalb des zu versorgenden Areals vorgehalten werden. Die Inanspruchnahme von Flächen ist jedoch auch ein Maß für den „Ökologischen Fußabdruck“.
Da jede Form der Energiegewinnung, insbesondere auch der erneuerbaren Energien, Fläche
benötigt, rückt dieser Aspekt auf europäischer und nationaler Ebene bei der Bewertung der
Gebäude-Energieeffizienz in den Vordergrund. Zumindest bei Neubauten gilt das Ziel des
„Niedrigstenergiegebäudes“ mit sehr geringem Energiebedarf, der zu einem wesentlichen
Teil aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere solcher am Standort gedeckt wird [7-2].
Die EnEV erlaubt deshalb die Anrechnung von unmittelbar im räumlichen Zusammenhang
mit dem Gebäude erzeugtem Strom aus erneuerbaren Energien. Dass im vorliegenden Projekt die Frage der Gewinnung solarer Energie auf den Gebäuden des Areals neben die
Wärmeversorgung mit Holz tritt, ist aus diesen Betrachtungen heraus folgerichtig.
Die durchgeführte exergetische Effizienzanalyse der untersuchten Varianten der Wärmeversorgung des Bürgerheim-Areals resultiert aus den vorstehend erläuterten Gründen und
Sachverhalten. Im Fokus steht hierbei zum einen die exergetische Effizienz der energetischen Nutzung des Holzes. Zum anderen wurde als Bilanzgrenze die Arealgrenze gewählt
und ausschließlich die von außen dem Areal zuzuführende Exergie ins Verhältnis zur benötigten Nutzexergie gesetzt. In einigen Varianten im Areal (auf Gebäuden) gewonnene Solarenergie wurde als interne Energiequelle betrachtet, da hiermit keine zusätzliche, externe
Fläche beansprucht wird.
Um die in diesem Projekt untersuchten Varianten der Wärmeversorgung des BürgerheimAreals exergetisch zu bewerten, wurde eine eigene EXCEL-Applikation erstellt, mit der neben dem Energiefluss auch der Verlauf der Exergie ermittelt und visualisiert werden kann. In
einer Voruntersuchung [7-3] wurde eine andere verfügbare EXCEL-Applikation [7-4] untersucht, jedoch nicht verwendet, weil manche der dort implementierten Ansätze nicht den hier
vorliegenden Erfordernissen entsprechen.
@ssmann gruppe
Seite 79 von 219
7.1 Grundlagen der exergetischen Analyse der Wärmeversorgung des BürgerheimAreals
Im vorliegenden Projekt umfasst die Exergieanalyse eine Untersuchung der fünf unterschiedlichen Wärmeerzeugungssysteme (Variante 0 bis 4) unter Berücksichtigung der nachhaltigen
Energienutzung. Diese sind in Abschnitt 4 (Entwicklung alternativer Energieversorgungskonzepte in Varianten – Beschreibung, technisch-wirtschaftliche Bewertung und Vorauswahl)
beschrieben sowie die zugehörigen Energiebedarfe festgelegt.
In der folgenden Tabelle 7.1 sind die verwendeten Grunddaten zusammengestellt. Da Erdgas und Holz hier ausschließlich als Brennstoffe zur Gewinnung thermischer Energie dienen
(auch die Stromerzeugung bei Kraft-Wärme-Kopplung erfolgt über eine Wärmekraftmaschine, d. h. thermisch), werden die zugehörigen Brennstoffexergien als thermische Energien bei
den jeweiligen Flammentemperaturen im Verbrennungsprozess ermittelt. Die alternative Definition der Brennstoffexergie als chemische Exergie, also der maximal möglichen Arbeit, die
durch reversible Oxidation gewinnbar ist und die unter Umständen den Brennstoffenergiegehalt übersteigt, wurde nicht verwendet, da sie bei den hier zur Auswahl stehenden technischen Prozessen keine Rolle spielt.
Die Exergieanteile thermischer Energien ermitteln sich aus dem Carnot-Faktor, der vom Verhältnis der absoluten Temperaturen [K] des Energieträgermediums und der Umgebung abhängt:
=
=1−
Der Exergieanteil der Solarstrahlung (0,72) ist der Wert, der sich aus der in [7-5] dargestellten Herleitung für unkonzentrierte Solarstrahlung ergibt.
Der Faktor zur Ermittlung der Primärexergie von Stromerzeugung ist aus dem Primärenergiefaktor für Strom durch Multiplikation mit dem Carnot-Faktor des Verbrennungsprozesses
in der Stromerzeugung berechnet.
Nutzenergiebedarfe
Temperaturniveau
thermisch (Wärme)
2.661.904,76 kWh/a (27 % Warmwasser, 73 % Hzg.)
elektrisch (Strom)
1.088.812,04 kWh/a
Umgebungstemperatur
- Stundenwerte
Stündliche Messwerte hinterlegter Klimadaten von
Biberach/Riss.
Die Ermittlung des Exergiegehalts zur Deckung des
Heizwärmebedarfs erfolgt unter Berücksichtigung der
Heizgrenztemperatur (
= 12 ° ).
mittlere Umgebungstemperatur
mittlere Umgebungstemperatur
= 22 °
Raumtemperatur
= 35 ° (hier Auslegung Fußbodenheizung)
Heizkörpertemperatur
Temperatur Warmwasser
Energieträger
@ssmann gruppe
Erdgas
(Brennstoff Gas)
= 8,11 °
= 60 °
=
_
= 1,1
°
.
=
.
= 0,0
≈ 0,878
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=
Holz (Brennstoff)
_
Solarstrahlung
= 1,2
Energiewandler
Prozessabschnitte
=
.
= 1,0
=
.
= 0,4
≈ 0,824
°
Globalstrahlung
.
Strom (elektr. Energie)
.
= 2,8 ,
= 1118,79
²
= 0,72
= 2,44
.
Gasbrennwertkessel
= 0,95 ;
= 0,98 
= 0,93
Gasspitzenlastkessel
= 0,90 ;
= 0,98 
= 0,88
Holzhackgutkessel
= 0,84 ;
= 0,98 
= 0,82
Erdgas-BHKW
= 0,55 ;
. = 0,37
= 0,98 
= 0,54
Holz-BHKW
= 0,54 ;
. = 0,23
= 0,98 
= 0,53
Solarthermie
= 0,48
Photovoltaik
= 0,15
Primäraufwand
Lieferung
primärenergetischer bzw. –exergetischer Aufwand des
Endenergiebedarfs
kostengebundene Lieferung von Brennstoffen und
Strom (Endenergie) zur Deckung des thermischen
und elektrischen Energiebedarfs
Feuerung
thermische und elektrische Energie / Exergie nach der
Wärmeerzeugung unter Berücksichtigung des Feuerungstechnischen Wirkungsgrades. (thermische Exergie auf dem Niveau der Flammtemperatur)
Erzeugerabgabe
thermische und elektrische Energie / Exergie nach der
Wärmeerzeugung unter zusätzlicher Berücksichtigung
der Verluste durch die Heizzentrale. (thermische
Exergie im Verteilnetz: Temperaturniveau 90 °C)
Übergabe
Abgabe der thermischen und elektrischen Energie /
Exergie an der Nutzungsgrenze (Gebäudegrenze), bei
89 °C. 5 % Energieverluste im Verteilnetz
Nutzung
thermische Energie / Exergie :
Heizwärme (22 °C), Warmwasser (60 °C)
elektrische Energie / Exergie:Strombedarf + evtl.
Stromüberschuss durch Stromeigenproduktion
Umgebung
thermische Energie und elektrische Energie/Exergie:
thermische Exergie geht auf Umgebungsniveau vollständig in Anergie über die verbrauchte elektrische
Exergie (Strombedarf) geht vollständig in Anergie
über; es bleibt lediglich ein Exergierest bei einem evtl.
Stromüberschuss übrig
Tab. 7-1: Verwendete Grunddaten der Exergiebewertung
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Entsprechend dem im vorhergehenden Abschnitt erläuterten Ansatz des zusätzlichen Flächenbedarfs werden Erdgas, Holz und (extern zugeführter Strom), die als Lieferung von außen bezogen werden, als tatsächlicher (externer) Energie- bzw. Exergieaufwand gerechnet.
Die im Areal kostenlos verfügbare solare Strahlung wird dagegen als Potenzial des Areals in
Abhängigkeit von der Arealfläche betrachtet, also als Energie- und Exergiequelle, die nicht
dem externen Bedarf zugeschlagen wird.
Bei der exergetischen Prozessbewertung werden zum einen die eigentliche Wärmeerzeugung (Heizzentrale) und zum anderen die Gesamtkette vom Primäraufwand bis zur Nutzung
betrachtet. Weiterhin wird zwischen dem regenerativen (erneuerbaren) und nicht regenerativen (nicht erneuerbaren) Anteil der Energie- bzw. Exergieströme unterschieden, sodass die
reine Exergieanalyse um den ebenso wichtigen Aspekt des Bedarfs an nicht erneuerbarer
Energie ergänzt wird.
Grundsätzlich unterscheiden sich die Varianten lediglich in der Wahl der Energieträger und
Wärmeerzeugungssysteme, der Energiebedarf auf Seiten der Nutzung sowie der Prozessverlauf sind identisch. Unterschiede zwischen den Varianten sind deshalb im Wesentlichen
in der unterschiedlichen Höhe des (externen) primärenergetischen Aufwands begründet.
Einen entscheidenden Unterschied macht dagegen die zusätzliche Stromerzeugung in den
Varianten mit Kraft-Wärme-Kopplung aus, die den ansonsten notwendigen (externen) Aufwand zur Deckung des Strombedarfs reduziert. Um die Komplexität durch die gekoppelte
Wärme- und Stromerzeugung besser fassen zu können, werden sowohl Ergebnisse, die
ausschließlich den Aufwand zur Deckung des Wärmebedarfs („Wärme“) beinhalten, als auch
der Gesamtprozess („Wärme + Strom“) dargestellt. Dabei wird ersichtlich, dass elektrische
Energie aufgrund des großen Exergiegehalts (100 %) im Vergleich zur Wärme eine höhere
exergetische Wertigkeit aufweist und damit die Gesamtqualität der eingesetzten Energie anhebt. Berücksichtigt man diesen Aspekt, so liegt z. B. bei der höchsten Stromeigenproduktion in Variante 2 (Erdgas-BHKW) und dem damit kleinsten zusätzlichen (externen) Stromaufwand der geringste externe Gesamt-Primäraufwand vor.
Bleibt am Schluss aufgrund einer hohen Stromeigenproduktion ein Überschuss an elektrischer Exergie übrig, so wird dieser in der grafischen Darstellung des Exergieverlaufs als
Restmenge sichtbar. Da auch die Exergie des Strombedarfs durch die Nutzung vollständig in
Anergie übergeht, bleibt lediglich der ungenutzte Strom(überschuss) als Exergie erhalten.
Dieser Fall tritt in den betrachteten Varianten (0 bis 4) jedoch nicht auf.
Als Effizienzmaß dienen in der Betrachtung Nutzungsgrade, d. h. Verhältnisse der (jährlich)
benötigen Energie- bzw. Exergiemengen zu den zugehörigen Aufwendungen.
Zahlenbeispiel:
Primärexergiehalt ~0,878 (Erdgas, Variante 0), Nutzexergiegehalt ~0,097 (bei einer Raumtemperatur von 22 °C und einer mittleren Umgebungstemperatur von 8,11 °C). Auch wenn
keine Energieverluste auftreten (energetischer Nutzungsgrad = 1), ergibt sich daraus ein
exergetischer Nutzungsgrad < 1: 0,097 / 0,878 = 0,110 = 11,0 %. Dabei ist leicht ersichtlich,
dass eine gute Ausnutzung der wertvollen Exergie nur gegeben ist, wenn sich der Exergieaufwand möglichst dem Bedarf annähert, was im Falle der Raumheizung mit Brennstoffen
grundsätzlich nicht der Fall ist.
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Bild 7-1 zeigt die einzelnen Abschnitte im gesamten Prozessverlauf der Versorgung über die
geplante neue Heizzentrale bis zur Nutzung. Hierbei wird zwischen thermischen, elektrischen und solaren Energie- bzw. Exergieströmen unterschieden. Der Exergiegehalt einer
Nutzenergie ist nach der Nutzung, d. h. auf Umgebungsniveau, stets gleich Null. Deshalb
würde ein Stromüberschuss (100 % Exergie) aus dem System als Potenzial zur elektrischen
Einspeisung dargestellt, bei dem dessen Exergiegehalt erhalten bleibt. In den vorliegenden
Varianten liegt die Stromeigenproduktion jedoch unter dem Bedarf, sodass dieser (zumindest
bilanztechnisch) vollständig genutzt wird und stets externe Stromzufuhr zur Deckung des
Restbedarfs notwendig ist.
Der dargestellte Prozessverlauf entwickelt sich aus dem von der Nutzung ausgehenden Bedarf und verläuft über die wesentlichen Zustände Primäraufwand, Lieferung (an der Arealgrenze), Erzeugerabgabe an das Verteilnetz, Übergabe an die Gebäude, Nutzung und Abgabe an die Umgebung. In Bild 7.1 sind exergetische (Zwischen-) Zustände als Rechtecke
dargestellt. Die (rechnerische) Differenzierung in zwei Teilströme oder der Exergiefluss ohne
weitere Umwandlung und Verluste ist durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht. Dagegen
werden Prozessumwandlungen verbunden mit Exergieverlusten durch Pfeilen dargestellt.
Bild 7-1: Prozessabschnitte der Energie- bzw. Exergiewandlung über den gesamten Prozess
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7.2 Ergebnisse der Exergie-Analyse im Variantenvergleich
Die Gegenüberstellung der unterschiedlichen Wärmeversorgungsvarianten erfolgt zum einen
grafisch über die Darstellung von Energie- und Exergieverlauf und zum anderen in der tabellarischen Gegenüberstellung von Kennwerten. Zudem findet in Balkendiagrammen ein Vergleich der relativen Verluste von Energie und Exergie statt. Dabei ist von Energieverlust die
Rede, wenn Energieströme ungenutzt aus dem Gesamtprozess austreten (z. B. Wärmeverluste an die Umgebung). Exergieverluste können dagegen sowohl durch austretende Energieströme bedingt sein (äußerer Verlust), als auch durch die Umwandlung der Exergie in
Anergie (innerer Verlust) direkt im Prozess herrühren und damit einen Qualitätsverlust der
Energie bedeuten.
Die Darstellung der relativen Verluste in einzelnen Prozessbereichen zeigt, dass Energieund Exergieverlust nicht identisch sind. Die beinahe Übereinstimmung von Energie- und
Exergieverlusten in den ersten beiden Prozessschritten ist dadurch bedingt, dass dort
Exergieverluste im Wesentlichen mit ungenutzten Energieströmen zusammenhängen. Tritt
ein Exergieverlust jedoch bei nahezu gleichbleibender Energie auf, so ist dies auf eine (prozessinterne) Qualitätsminderung der Energie zurückzuführen.
Für die Ergebnisauswertung ist zu berücksichtigen, dass der spezifische primärenergetische
Aufwand für Holz und Erdgas ähnlich ist, wobei Holz um 0,1 etwas höher bewertet wird. Dagegen ermöglicht die Differenzierung nach erneuerbarem Primärenergieanteil eine positivere
Beurteilung des nachwachsenden Rohstoffes Holz.
Bild 7-2 enthält eine Gegenüberstellung des Exergieverlaufs der betrachteten Wärmeversorgungsvarianten. Die Betrachtung konzentriert sich im Wesentlichen auf die letztendlich nutzbare Exergie (Heizwärme, Warmwasser und Strom) und geht aus diesem Grund nicht weiter
auf die Unterscheidung in äußere (ungenutzte Energie-/Exergieströme) und innere (Umwandlung von Exergie in Anergie) Exergieverluste ein, d. h. beide Exergieverlustarten sind
aggregiert dargestellt.
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Bild 7-2: Exergieverlauf der unterschiedlichen Varianten der Wärmeversorgung bis zur
Übergabe an die Gebäude im Vergleich
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Variante 0 (Referenzfall)
Wärmeerzeuger:
100 % Gasbrennwertkessel
7.000.000
6.000.000
[kWh/a]
5.000.000
4.000.000
Energie
3.485.828
3.061.704
Exergie
3.000.000
Energie (nicht
regenerativ)
2.000.000
2.661.905
257.966
1.000.000
Exergie (nicht
regenerativ)
0
Bild 7-3: Energie- und Exergieverlauf des Wärmebedarfs – Referenzfall
Erdgas als Primärenergieträger ist zu 100 % nicht regenerativ, sodass die Werte für Gesamtmengen und nicht regenerativer Anteile in Bild 7-3 identisch sind. In Bezug auf die
Stromgewinnung besteht der Primäraufwand (
= 2,8 ), zu einem geringen Anteil aus regenerativen Quellen (
. = 0,4 ). Diese Differenzierung ist z. B. in der Gesamtdarstellung des
Wärme- und Strombedarfs in Bild 7-5 zu sehen.
Relative Energieverluste
Relative Exergieverluste
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Primäreaufwand
- Lieferung
Lieferung Feuerung
Feuerung - Erzeugerabgabe
Erzeugerabgabe
- Übergabe
Übergabe Nutzung
Nutzung Umgebung
Summe
Bild 7-4: Relative Verluste der einzelnen Prozessabschnitte bei Wärmebedarf - Referenzfall
Der hohe Jahresnutzungsgrad der Wärmeerzeugung bedeutet geringe Verluste bei der Umwandlung der Brennstoffenergie im zweiten Prozessschritt „Lieferung - Feuerung“ (Bild 7-4).
Dabei sind die Gesamtenergieverluste unter 20 % und bestätigen eine gute Ausnutzung der
Energie.
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Hohe relative Exergieverluste treten beim Übergang von der Feuerung zur Erzeugerabgabe
in das Verteilnetz auf. Grund hierfür ist der Wechsel vom hohen Temperaturniveau der Verbrennung zur deutlich niedrigeren Vorlauftemperatur im Verteilnetz (90 °C) und nicht etwa
die geringen Energieverluste in der Heizzentrale. Insgesamt wird der hohe Exergiegehalt der
Primärenergie (87,8 %) auf eine niederexergetische Nutzung mit 9,7 % Exergiegehalt reduziert.
7.000.000
6.000.000
6.534.501
5.718.405
Energie
[kWh/a]
5.000.000
4.000.000
3.000.000
2.000.000
1.000.000
Exergie
6.098.977
5.282.880
3.750.717
1.346.779
Energie (nicht
regenerativ)
Exergie (nicht
regenerativ)
0
Bild 7-5: Energie- und Exergieverlauf des Wärme- und Strombedarfs - Referenzfall
Wird neben dem Wärmebedarf auch der Strombedarf berücksichtigt, so nimmt der gesamte
Energie- bzw. Exergiefluss um den elektrischen Energiebedarf (bei Strom = 100 % Exergie)
von 1.088.812 kWh/a zu. Bezogen auf die relativen Verluste bedeutet dies, dass sowohl bei
Energie als auch bei Exergie höhere Verluste zu Prozessbeginn und bei der Exergie zudem
am Prozessende bestehen. Grund hierfür ist zum einen der hohe Primärenergiebedarf zur
Stromerzeugung sowie der allgemein hohe Strombedarf der Nutzung. Diese Aspekte treten
bei allen Varianten gleichermaßen auf.
Unter zusätzlicher Berücksichtigung des Strombedarfs zeigt sich, dass der primärenergetische Nutzungsgrad kleiner und der primärexergetische Nutzungsgrad größer im Vergleich
zur ausschließlichen Betrachtung der Wärme ist. Dies bedeutet, dass mit der Berücksichtigung der hochwertigen elektrischen Energie (100 % Exergie) sich der mittlere Exergiegehalt
der gesamten Nutzenergie („Wärme + Strom“) wesentlich erhöht und damit eine bessere
Gesamtausnutzung der Exergie besteht:
Zahlenbeispiel:
Primärexergiehalt ~0,875 (Erdgas, Variante 0), Nutzexergiegehalt ~0,359 (bei einer Raumtemperatur von 22 °C und einer mittleren Umgebungstemperatur von 8,11 °C, inkl. Strom).
Auch wenn keine Energieverluste auftreten (energetischer Nutzungsgrad = 1), ergibt sich
daraus ein exergetischer Nutzungsgrad < 1: 0,359 / 0,875 = 0,410 = 41,0 %.
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Variante 1
Wärmeerzeuger:
21 % Gasspitzenlastkessel
78 % Holzhackgutkessel
1 % Solarthermie
7.000.000
[kWh/a]
6.000.000
5.000.000
4.000.000
Energie
3.910.012
3.269.580
Exergie
3.000.000
2.000.000
1.000.000
Energie (nicht
regenerativ)
1.261.689
1.080.728
2.661.905
257.966
Exergie (nicht
regenerativ)
0
Bild 7-6: Energie- und Exergieverlauf des Wärmebedarfs - Variante 1
In Bild 7-6 ist der hohe regenerative Primärenergieanteil des hauptsächlich eingesetzten
Energieträgers (78 %) Holz erkennbar. Dabei wirkt sich diese Verteilung wiederum auf die
energetische und exergetische Ausnutzung von nicht regenerativer Primärenergie zu Nutzungsenergie aus. In Abschnitt 7.3 findet in Tabelle 7-4 und 7-5 hierzu eine Gegenüberstellung der Auswirkung aller Varianten statt.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Primäreaufwand
- Lieferung
Lieferung Feuerung
Erzeugerabgabe
- Übergabe
Übergabe Nutzung
Nutzung Umgebung
Summe
Bild 7-7: Relative Verluste in den einzelnen Prozessabschnitten bei Wärmebedarf - Variante 1
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Bezüglich der Verluste wirken sich in Variante 1 der höhere Primärenergiefaktor von Holz
(1,2) sowie der niedrigere Jahresnutzungsgrad der Wärmeerzeugung aus, sodass die energetischen Verluste in den ersten beiden Prozessabschnitten etwas größer als in Variante 0
sind und weiterhin den größten Anteil der Energieverluste ausmachen. Die Nutzung der solaren Strahlung mit Solarthermie bewirkt im Prozessschritt vier von der Erzeugerabgabe zur
Übergabe einen Energiegewinn (arealinterne Energie- und Exergiequelle). Die wesentlichen
Exergieverluste entstehen nachwievor im Übergang von der Feuerung zur Erzeugerabgabe
im Verteilnetz, bedingt durch die große Temperaturänderung.
7.000.000
6.000.000
6.958.686
5.926.282
Energie
[kWh/a]
5.000.000
Exergie
4.000.000
3.000.000
2.000.000
1.000.000
3.874.837
3.301.905
3.750.717
1.346.779
Energie (nicht
regenerativ)
Exergie (nicht
regenerativ)
0
Bild 7-8: Energie- und Exergieverlauf des Wärme- und Strombedarfs - Variante 1
Die Beobachtungen aus dem Referenzfall sind auch in dieser Variante ersichtlich, sodass
keine weiteren Besonderheiten bestehen.
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Variante 2
Wärmeerzeuger:
44 % Erdgas-BHKW (Stromausbeute: 828 869 kWh/a)
7.000.000
[kWh/a]
6.000.000
5.000.000
4.717.598
4.048.586
Energie
Exergie
4.000.000
3.000.000
2.000.000
3.189.719
2.785.787
3.490.774
1.086.836
Energie (nicht
regenerativ)
Exergie (nicht
regenerativ)
1.000.000
0
Bild 7-9: Energie- und Exergieverlauf des Wärmebedarfs und der Stromerzeugung durch
KWK - Variante 2
Der niedrige rein wärmebezogene Jahresnutzungsgrad der Kraft-Wärme-Kopplung (ErdgasBHKW) führt neben hohen relativen Verlusten bei der Verbrennung zur Wärmeerzeugung
ebenfalls zu einem höheren Brennstoff- und damit auch Primärenergieaufwand, wobei aufgrund des großen Gasanteils (55%) der Anteil regenerativer Primärenergie geringer ausfällt.
Der Vollständigkeitshalber sind jedoch ebenfalls die elektrischen Gewinne (Stromausbeute
Erdgas-BHKW) zu berücksichtigen, sodass hier energetische und exergetische Ausnutzung
vergleichsweise gut ausfallen (siehe auch Tabelle 7-6 in Abschnitt 7.3).
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Primäreaufwand
- Lieferung
Lieferung Feuerung
Erzeugerabgabe
- Übergabe
Übergabe Nutzung
Nutzung Umgebung
Summe
Bild 7-10: Relative Verluste der einzelnen Prozessabschnitte bei Wärmebedarf - Variante 2
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Seite 90 von 219
Bild 7-10 verdeutlicht den wesentlichen Einfluss der Stromeigenerzeugung, sodass die elektrische Exergie keine Minderung aufgrund einer Temperaturreduzierung erfährt und damit die
exergetischen Verluste im dritten Prozessschritt zurückgehen. Der niedrige Jahresnutzungsgrad der Wärmeerzeuger bewirkt dagegen höhere Exergieverluste im dritten Prozessschritt
(Lieferung – Feuerung).
7.000.000
6.000.000
[kWh/a]
5.000.000
Energie
5.445.438
4.682.847
Exergie
4.000.000
3.000.000
2.000.000
1.000.000
3.813.582
3.316.070
3.750.717
1.346.779
Energie (nicht
regenerativ)
Exergie (nicht
regenerativ)
0
Gleichzeitig ermöglicht die Stromerzeugung im Erdgas-BHKW eine Reduktion des externen
Strombedarfs, sodass der Primärenergiebedarf (Bild 7-11) im Vergleich zu den vorausgehenden Varianten kleiner ist. Der energetische und exergetische Vorteil der Kraft-WärmeKopplung erschließt sich erst aus der Gesamtbetrachtung von Strom und Wärme.
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Seite 91 von 219
Variante 3
Wärmeerzeuger:
24 % Holz-BHKW (Stromausbeute: 293 718 kWh/a)
7.000.000
[kWh/a]
6.000.000
5.000.000
Energie
4.552.434
3.786.093
Exergie
4.000.000
3.000.000
2.000.000
1.000.000
1.136.370
962.700
Energie (nicht
regenerativ)
2.955.622
551.684
Exergie (nicht
regenerativ)
0
KWK - Variante 3
Variante 3 umfasst insgesamt einen Holzanteil von 87 % der Energieträger (Brennstoffe).
Diese bedeutet einen etwas höheren primärenergetischen Aufwand bei einem insgesamt
geringen Anteil nicht regenerativer Energie.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Primäreaufwand
- Lieferung
Lieferung Feuerung
Erzeugerabgabe
- Übergabe
Übergabe Nutzung
Nutzung Umgebung
Summe
Die im Vergleich zu Variante 2 geringe Stromeigenproduktion führt zu geringeren relativen
Exergieverlusten in Abschnitt „Lieferung - Feuerung“ und höheren Exergieverlusten in Ab-
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Seite 92 von 219
schnitt „Feuerung - Erzeugerabgabe“. Zudem sind die Energie- und Exergieverluste im Vergleich zum Primäraufwand insgesamt höher.
7.000.000
6.000.000
6.778.699
5.726.124
Energie
[kWh/a]
5.000.000
Exergie
4.000.000
3.000.000
2.000.000
1.000.000
3.044.597
2.584.693
3.750.717
1.346.779
Energie (nicht
regenerativ)
Exergie (nicht
regenerativ)
0
Außerdem verlangt die geringe Stromeigenproduktion im Holz-BHKW eine höhere externe
Stromeinspeisung zur Deckung des Strombedarfs, sodass der Primärenergiebedarf vergleichbar mit Variante 0 und 1 relativ hoch ist (Bild 7-14).
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Seite 93 von 219
Variante 4
Wärmeerzeuger:
23 % Holz-BHKW (Stromausbeute: 281 479 kWh/a)
1 % Solarthermie
7.000.000
[kWh/a]
6.000.000
5.000.000
Energie
4.494.468
3.736.377
Exergie
4.000.000
3.000.000
2.000.000
1.000.000
Energie (nicht
regenerativ)
1.097.661
928.900
2.943.384
539.446
Exergie (nicht
regenerativ)
0
KWK - Variante 4
Variante 4 beinhaltet gegenüber Variante 3 im Wesentlichen eine Erweiterung um 75 m²
Solarthermiefläche zur Abdeckung von 1 % des Wärmebedarfs. In den Ergebnissen wirkt
sich dies durch einen geringfügig geringeren Brennstoffbedarf und Primäraufwand aus.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Primäreaufwand
- Lieferung
Lieferung Feuerung
Erzeugerabgabe
- Übergabe
Übergabe Nutzung
Nutzung Umgebung
Summe
Wesentliche relative Energieverluste liegen unverändert in den ersten beiden Prozessabschnitten, wobei nachwievor die hohen Verluste im Bereich der Verbrennung ersichtlich sind.
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Seite 94 von 219
In allen Varianten sind die Verluste vergleichbar und unterscheiden sich hauptsächlich aufgrund des Jahresnutzungsgrades in der Energiewandlung zu Wärme und im jeweiligen
Energieträgermedium.
7.000.000
6.000.000
6.754.999
5.706.269
Energie
[kWh/a]
5.000.000
Exergie
4.000.000
3.000.000
2.000.000
3.035.259
2.575.859
Energie (nicht
regenerativ)
3.750.717
1.346.779
Exergie (nicht
regenerativ)
1.000.000
0
Variantenvergleich
Im Folgenden findet eine Gegenüberstellung der Varianten statt, indem absolute Energiebzw. Exergieaufwendungen sowie Nutzungsgrade jeweils einander gegenübergestellt werden und damit eine Beurteilung der einzelnen Varianten möglich wird.
Neben den unterschiedlichen Untersuchungskriterien wurden zudem die Bedeutung der Eigenstromproduktion (Variante 2 - 4) und des regenerativen Primärenergieanteils (Variante 1
- 4) analysiert.
Über die Farbcodierung werden hierbei die Ergebnisse gewertet: von grün = positive Wertung bis rot = negative Wertung.
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Variante 4
*
Gesamt-Primärenergieaufwand
Wärme*
Wärme + Strom**
3.302.363
6.351.037
3.910.012
6.958.686
4.717.598
5.445.438
4.552.434
6.778.699
4.494.468
6.754.999
Nicht regenerativer Anteil
Wärme*
Wärme + Strom**
3.302.363
5.915.512
1.261.689
3.874.837
3.189.719
3.813.582
1.136.370
3.044.597
1.097.661
3.035.259
in Bezug auf die ausschließliche Wärmeversorgung
** in Bezug auf die gesamte Versorgung von Wärme und Strom
Tab. 7-2: Primärenergiebedarfswerte der Wärmeversorgungsvarianten
Tabelle 7-2 stellt den Gesamt-Primärenergieaufwand sowie den nichtregenerativen Anteil
der Primärenergie dar. Hierbei wird entsprechend den vorausgehenden Diagrammen ebenfalls zwei Betrachtungsweisen unterschieden. Zum einen bezieht sich der Primäraufwand
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Seite 95 von 219
ausschließlich auf die Wärmeversorgung (Wärme) und zum anderen ist der Primäraufwand
auf die Gesamtversorgung von Wärme und Strom ausgelegt (Wärme + Strom). Dabei wird in
den Tabellen 7-3 bis 7-5 die Stromausbeute aus der Kraft-Wärme-Kopplung in der Betrachtung der gesamten Prozesskette mitberücksichtigt. Wohin gegen in den Tabellen 7-6 und 7-7
ausschließlich die Wärmeerzeugung fokussiert wird.
Betrachtet man den nicht regenerativen Primärenergieanteil, so bedeutet dies bei Holz einen
geringen nicht regenerativen Primärenergieaufwand und damit schneiden anhand dieser
Differenzierung die Varianten 1, 3 und 4 besser ab.
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Variante 4
Exergiegehalt der Nutzenergie
*
Wärme*
0,878
0,836
0,858
0,832
0,831
Wärme + Strom**
0,875
0,852
0,860
0,845
0,845
0,097
0,359
Tab. 7-3: Exergiegehalte der Primärenergie aller Varianten und der Nutzenergie
Tabelle 7.3 beschreibt den Exergiegehalt der Primärenergie für alle Varianten im Vergleich
zum geforderten Exergiegehalt der Nutzenergie, der aufgrund der gleichen Nutzung für alle
Varianten identisch ist. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich in allen Fällen
hochexergetische Energie verwendet wird um einen niederexergetischen Bedarf abzudecken. Damit unterscheiden sich die Varianten aus exergetischer Betrachtung nicht wesentlich, denn in allen Fällen geht ein großer Exergieanteil ungenutzt verloren.
Die geringen Unterschiede zwischen den einzelnen Erzeugersystemen sind zum einen durch
unterschiedlich hohe externe Strombedarfe aufgrund keiner bzw. unterschiedlicher Eigenproduktion und zum anderen durch die höhere Flammentemperatur der Gasverbrennung
gegenüber der Holzverbrennung bedingt.
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Variante 4
*
Gesamt- Primärenergie
Wärme*
Wärme + Strom**
0,806
0,591
0,681
0,539
0,740
0,689
0,649
0,553
0,655
0,555
Wärme*
Wärme + Strom**
0,806
0,634
2,110
0,968
1,094
0,984
2,601
1,232
2,682
1,236
Tab. 7-4: Nutzungsgrade der energetischen Ausnutzung
Die energetische und exergetische Ausnutzung (Nutzungsgrad) wird durch das Verhältnis
von Nutzungsbedarf zu Primäraufwand ausgedrückt. Ein hoher Nutzungsgrad bedeutet dabei eine gute Ausnutzung der Primärenergie bzw. Primärexergie. Die Ergebnisse sind in den
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Seite 96 von 219
Tabellen 7-4 und 7-5 zusammengefasst. Aus Tabelle 7-4 lassen sich im Wesentlichen dieselben Schlussfolgerungen ziehen wie aus der Darstellung des absoluten Primäraufwands in
Tabelle 7-2. Bei der ausschließlichen Berücksichtigung des nicht regenerativen Anteils der
Primärenergie bewirkt ein hoher regenerativer Anteil als positive Bewertung des Brennstoffes
eine energetische Ausnutzung größer als 1.
Aus Tabelle 7-5 wird die Bedeutung des exergetischen hochwertigen Stromes besonders
deutlich, da hier die drei Varianten (2 - 4) mit Stromeigenproduktion eindeutig positiv hervor
treten. Ausschlaggebend sind hierbei folgende Kriterien:



Die Stromausbeute der Wärmeerzeuger führt bei Berücksichtigung des Strombedarfs
zu einer besseren Ausnutzung.
In der gesamtprimärenergetischen Betrachtung wirkt sich ein hoher Jahresnutzungsgrad positiv aus.
Bei Differenzierung der Primärenergie nach erneuerbar und nicht erneuerbar fällt die
Bewertung eines hohen regenerativen Anteils (z. B. Holz) positiv aus.
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Variante 4
*
Gesamt- Primärexergie
Wärme*
Wärme + Strom**
0,089
0,242
0,079
0,227
0,268
0,288
0,146
0,235
0,144
0,236
Wärme*
Wärme + Strom**
0,089
0,263
0,239
0,408
0,390
0,406
0,573
0,521
0,581
0,523
Tab. 7-5: Nutzungsgrade der exergetischen Ausnutzung
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Variante 4
Wärmeerzeuger
Energieeffizienz Exergieeffizienz
0,846
0,233
0,708
0,205
0,768
0,372
0,679
0,256
0,678
0,255
Tab. 7-6: Energie- und Exergieeffizienz der Wärmeerzeuger
In Tabelle 7-6 ist die Energieeffizienz und Exergieeffizienz der Wärmeerzeuger dargestellt.
Hierbei wurde die Erzeugernutzabgabe (Wärme und Stromeigenproduktion) im Verhältnis
zum Primäraufwand ermittelt. Da in allen Varianten der gleiche Nutzwärmebedarf gedeckt
werden muss liegen die wesentlichen Einflusskriterien in der Stromeigenproduktion (möglichst hoch) und dem Gesamtprimäraufwand, bedingt durch den Jahresnutzungsgrad.
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Variante 1
Variante 2
Variante 3
Variante 4
*
Jahresnutzungsgrad d.
Wärmeerzeuger
Wärme*
Wärme + Strom**
0,931
0,931
0,827
0,836
0,705
0,865
0,760
0,815
0,754
0,815
Tab. 7-7: Jahresnutzungsgrad der Wärmeerzeuger
Tabelle 7-7 gibt den energetischen Jahresnutzungsgrad der Wärmeerzeuger differenziert
nach Wärmeabgabe bzw. Wärme- und Stromabgabe wieder. Der Gesamt-Jahresnutzungsgrad wurde dabei anhand des Jahresnutzungsgrades des einzelnen Wärmeerzeugertyps
und der anteiligen Nutzung ermittelt. In der Betrachtung der Gesamtversorgung von Wärme
und Strom wird in der rechten Spalte der Jahresnutzungsrad der Stromerzeugung anteilig
einbezogen.
7.3 Potenzial der arealinternen Energie & Exergie (z. B. Solarstrahlung)
Die Energieträger Erdgas und Holz müssen dem Areal von außen (extern) zugeführt werden.
Mit der solaren Einstrahlung ist jedoch eine direkt auf dem Bürgerheim-Areal verfügbare
Energiequelle vorhanden, die an der Liefergrenze (Areal, in diesem Fall von oben) kostenlos
und dauerhaft verfügbar ist.
Bei einer Arealfläche von etwa 30.000 m² und einer mittleren horizontalen Globalstrahlung
von ca. 1.120 kWh/m²a entspricht dies einem theoretischen energetischen Potenzial von
etwa 33,6 GWh/a - etwa das 9-fache des Gesamt-Nutzenergiebedarfs an Wärme
(2,7 GWh/a) plus Strom (1,1 GWh/a). Bezogen auf die ca. 5.000 m² für Solarenergiegewinnung nutzbarer Dachfläche auf den Gebäuden des Areals beträgt das nutzbare solare Strahlungspotenzial etwa 5,6 GWh/a, was etwa dem 1,5fachen des Gesamt-Nutzenergiebedarfs
an Wärme + Strom entspricht.
Dieses Potenzial der Solarstrahlung kann durch Solarthermie zur Wärmegewinnung oder
Photovoltaik zur Stromerzeugung genutzt werden. Zur Ermittlung der tatsächlichen energetischen und exergetischen Nutzbarkeit sind Anlagennutzungsgrad, Exergiefaktor der solaren
Strahlung und Exergiefaktor der Anlage zu berücksichtigen.
Der Exergiefaktor der von solarthermischen Anlagen gelieferten Wärme ermittelt sich über
den zugehörigen Carnot-Faktor. Je nach Betrachtungsraum (Bilanzgrenze) wird der CarnotFaktor mit der Temperatur der von der Kollektoranlage gelieferten Wärme oder aber mit der
bzw. den Temperatur/en des bedienten Nutzwärmebedarfs gebildet.
Photovoltaik-Anlagen liefern mit Strom reine Exergie. Der Exergiefaktor der (unkonzentrierten) Solarstrahlung wird mit 0,72 angesetzt (vgl. 7.1).
@ssmann gruppe
Seite 98 von 219
Laut den Ergebnissen der Energiebilanzberechnungen der Wärmeversorgung (siehe Abschnitt 9.3 Energiebilanzen und Brennstoffmengen) kann mit einem Jahresnutzungsgrad der
im Projekt angedachten solarthermischen Vakuumröhren-Kollektoranlage von ca. 48 % bezogen auf die horizontale Globalstrahlung gerechnet werden.
Der Jahres-Anlagenwirkungsgrad (Jahresnutzungsgrad) von Photovoltaik-Anlagen wird mit
15 % angenommen (gelieferte Strommenge zu auf die Paneele treffender Globalstrahlung).
Bei Installation auf dem Areal bzw. den Gebäuden liefern beide Typen von Solaranlagen –
Solarthermie und Photovoltaik – in der hier verwendeten arealbezogenen Bilanzierungsmethodik (areal)interne Energie- und Exergiegewinne, die zur Deckung des Nutzwärme- bzw.
Strombedarfs herangezogen werden können. Hierfür stehen grundsätzlich folgende Varianten zur Verfügung:
a) Solarthermie  direkte (anteilige) Deckung von Nutzwärmebedarf
b) Photovoltaik  direkte (anteilige) Deckung von Strombedarf
c) Solarthermie  (solar)thermisch angetriebene Wärmepumpe (oder Kältemaschine)
d) Photovoltaik  elektrisch angetriebene Wärmepumpe (oder Kältemaschine).
Variante c) ist aufgrund der saisonalen Verteilung des Solarstrahlungsangebots lediglich für
die Kühlung (solar Kühlung) geeignet und scheidet deshalb aus. Variante d) ist aufgrund der
hohen benötigten Temperaturen im Wärmenetz für die zentrale Wärmeerzeugung ebenfalls
nicht sinnvoll. Bei dezentralem Einsatz (z. B. gebäudebezogen) würde sie in Konkurrenz zur
vorgesehenen zentralen Wärmeerzeugung stehen. Damit bleiben zunächst Variante a) und
Variante b), die in direkter Flächenkonkurrenz zueinander stehen. Mit den vorstehend genannten Randbedingungen ergeben sich folgende spezifische (auf 1 m² Kollektor- bzw. Panellfläche bezogene) Exergiegewinne bzw. exergetische Nutzungsgrade:
Energiestrom der Solarstrahlung:
1.120 kWh/(m²*a)
Exergiestrom der Solarstrahlung:
806 kWh/(m²*a)
Solarthermie
solarer Energieertrag:
Photovoltaik
537 kWh/(m²*a)
168 kWh/(m²*a)
1)
solarer Exergieertrag:
52 kWh/(m²*a)
107kWh/(m²*a) 2)
168 kWh/(m²*a)
exergetischer Nutzungsgrad:
0,065 – 0,13
0,15
bezogen auf das Exergieniveau des Nutzwärmebedarfs (Raumwärme & Warmwasser)
2)
bezogen auf das Exergieniveau einer Temperatur der Wärmelieferung der Kollektoranlage
von 80 °C
1)
Tab.7-8: Energie-, Exergiegewinne und exergetischer Nutzungsgrad von Solarthermie und Photovoltaik
Unter diesen Randbedingungen nutzt die Photovoltaik die Exergie des Solarstrahlungsangebotes zunächst besser aus als die Solarthermie. Auf dem eigenen Areal bzw. den eigenen
Gebäuden nutzbar gemachte Solarenergie soll hier jedoch einen Beitrag zur Eigenversorgung des Bürgerheims leisten. Damit ist die Exergieausbeute, d. h. das Verhältnis von gelieBürgerheim Biberach
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ferter Exergie zu gelieferter Anergie dem Exergie-Anergie-Verhältnis des jeweils bedienten
Nutzenergiebedarfs gegenüber zu stellen.
Ein Beitrag zur Eigenstromversorgung ist ausschließlich über Photovoltaik sinnvoll.
Ein Beitrag zur Wärmeversorgung mit Hilfe der Photovoltaik würde sinnvollerweise über eine
Wärmepumpe, d. h. Variante c), erfolgen. Je nach Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpenanlage ergibt sich dann der Vergleich der Beitrags zur Nutzwärmeversorgung von
Solarthermie und Photovoltaik zu:
Jahresarbeitszahl (JAZ)
Solarthermie direkt
solarer Energieertrag
537 kWh/(m²*a)
Photovoltaik + Wärmepumpe
3
504 kWh/(m²*a)
Photovoltaik + Wärmepumpe
4
672 kWh/(m²*a)
Tab. 7-9: Solarer Energieertrag zur Nutzwärmeversorgung
Das Ergebnis dieses Vergleichs ergibt somit kein einheitliches, sondern ein je nach Anlagenkonfiguration und –qualität sowie Randbedingungen differenziertes Ergebnis. Dabei könnte
die JAZ = 3 z. B. einer effizienten Luft-Wärmepumpenanlage entsprechen, allerdings nur bei
sehr niedrigem Nutztemperaturniveau (Fußbodenheizung). Eine JAZ = 4 ist nur mit einer
höherwertigen Energiequelle für Wärmepumpe (Geothermie, Abwärme) erreichbar und erfordert ebenfalls entsprechende Temperaturniveaus auf der Quellen- und Verbraucherseite.
7.4 Zusammenfassung und Fazit der exergetischen Bewertung
Im vorliegenden Fall der Analyse der Wärmeversorgungsvarianten für das Bürgerheim Biberach ist zunächst methodisch festzustellen, dass der Vergleich der betrachteten Varianten
(Gesamtbetrachtung Wärme + Strom, d. h. gesamte Wärme- und Stromversorgung inkl.
Stromeigenproduktion) mit Hilfe der Exergie dasselbe Bild, d. h. eine identische Rangfolge,
ergibt wie die Betrachtung der Gesamt-Primärenergie (vgl. jeweils 2. Ergebnisspalte in Tabelle 7-4 und 7-5 mit Tabelle 7-2). Diese näherungsweise Analogie der Bewertung der Exergie und des Gesamt-Primärenergieeinsatzes wurde bereits in [7-6, Kapitel 8.3.3] postuliert.
Es ist in weiteren Untersuchungen zu prüfen, ob dies ein in allen Fällen oder lediglich in einer
bestimmten Gruppe von Fällen auftretender Zusammenhang ist.
Bezogen auf das konkrete Vorhaben, die Wärmeversorgung des Areals des Bürgerheims
Biberach, können aus der durchgeführten Exergieanalyse mit Differenzierung der extern zuzuführenden und der im Areal (solar) gewonnenen Energie- und Exergieströme folgende
Schlussfolgerungen aus Effizienzsicht gezogen werden:


Von vornherein klar ist, dass, im Sinne einer größtmöglichen arealbezogenen Eigenversorgung, vorhandene und geeignete (Dach-)Flächen auf dem Areal weitestmöglich zu
nutzen sind, da jeder energetische und exergetische Beitrag aus dem Areal selbst den
erforderlichen Umfang der externen Versorgung reduziert.
Ein Beitrag dieser arealintern gewonnenen Solarenergie zur Wärmeversorgung erfolgt
bei einer zentralen Wärmeversorgung auf (notwendig) hohem Temperaturniveau vor-
@ssmann gruppe
Seite 100 von 219




zugsweise über effiziente thermische Solarkollektoren (z. B. Vakuumröhrenkollektoren),
da mit beispielsweise photovoltaisch angetriebenen Wärmepumpen dieses Temperaturniveau nicht bzw. nur ineffizient bedient werden kann. Ein zentraler solarthermischer
Beitrag findet aus Gründen der Erschließungskosten möglichst nahe der Heizzentrale
statt.
Die dezentrale Nutzung der restlichen verfügbaren (Dach-)Flächen zur Solarenergiegewinnung ist aus Sicht der hier durchgeführten Analyse im vorliegenden Fall sinnvoll. In
welchem Umfang und in welchen technischen Detaillösungen dies erfolgt soll, ist in der
weiteren Planung noch zu klären.
Die Exergieanalyse der im Projektteam untersuchten Varianten (0 bis 4) der Wärmeversorgung (Holz, Erdgas, Kraft-Wärme-Kopplung, ggf. solare Ergänzung) liefert eine vergleichbare Bewertung wie die Betrachtung des Gesamt-Primärenergieaufwandes bei der
(aufgrund der KWK) notwendigen integralen Betrachtung der gesamten Wärme- und
Stromversorgung. Dem Vorteil der Nutzung von Holz als nachwachsender und erneuerbare Energieträger wird dabei der Nachteil des schlechteren Nutzungsgrades gegenüber
der Erdgasnutzung gegenübergestellt.
Der hochexergetische und nachwachsende Energieträger Holz sollte deshalb möglichst
effizient genutzt werden, d. h. in Kraft-Wärme-Kopplung mit einem möglichst hohen Verstromungsanteil.
Eine Ergänzung der (regenerativen) Wärmeversorgung mit Holz (in KWK) durch
Solarthermie führt zunächst zu einer (insbesondere wirtschaftlichen) Konkurrenz, vgl.
Abschnitt 9.5.7. Aus grundsätzlicher energetischer und exergetischer Sicht ergibt sich
hierbei jedoch ein differenzierteres Bild, bei dem die beiden regenerativen Energieträger
Holz und Solarenergie unterschiedliche, z. T. komplementäre Eigenschaften aufweisen:
- Holz ist per se ein speicherbarer Energieträger, während Solarenergie zusätzlicher
technischer Speicher mit entsprechendem Aufwand bedarf.
- Durch die inhärente Energiespeicherung im Holz ist direkt eine saisonal unabhängige
Gewinnung und Nutzung möglich, während Solarenergie stets im Moment des Anfalls
genutzt, zumindest aber aktiv gespeichert, werden muss.
- Die Gewinnung von Holz ist aber mit einem erheblichen zusätzlichen Flächenaufwand
verbunden („Ökologischer Fußabdruck“), während Solarenergie in großem Umfang auf
bereits bebauten Flächen gewinnbar ist. Auch bei Betrachtung derselben (unbebauten)
Fläche ist die Flächeneffizienz von Solaranlagen größer als die der energetischen Biomasse-Gewinnung.
Eine künftige regenerative Vollversorgung wird deshalb voraussichtlich einer Kombination
beider Energieträger bzw. -formen in einem sinnvollen Verhältnis bedürfen, wobei der Nutzungseffizienz bezogen auf den Gesamt-Primärenergieaufwand bzw. den Gesamt-Exergieaufwand (z. B. Kraft-Wärme-Kopplung) besondere Beachtung zu schenken ist. Hierbei können sich langfristig auch (energie-)wirtschaftliche Bewertungen verschieben.
@ssmann gruppe
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Nomenklatur
Formelzeichen
.
ℎ
[−]
ℎ
²
[−]
.
.
.
Exergiegehalt der unkonzentrierten solaren Strahlung (natürliches
Licht)
Globalstrahlung
Carnotfaktor, Ausdruck des thermischen Exergiegehaltes
[−]
Elektrischer Wirkungsgrad
[−]
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers
[−]
Nutzungsgrad der Heizzentrale
[−]
Jahresnutzungsgrad (
[−]
Jahresnutzungsgrad Photovoltaik-Anlage
[−]
Jahresnutzungsgrad des Solarthermie-Kollektor-Anlage
[−]
Primärenergiefaktor
[−]
Regenerativer Anteil des Primärenergiefaktors
[−]
Primärexergiefaktor
[−]
Regenerativer Anteil des Primärexergiefaktors
[° ]
Temperatur
[° ]
Heizgrenztemperatur
[° ]
Heizkörpertemperatur
[° ]
Raumtemperatur
[° ]
Umgebungstemperatur
[° ]
Mittlere Umgebungstemperatur
[° ]
Warmwassertemperatur
∙
)
Literatur
[7-1] Energieeinsparverordnung – EnEV: Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden; 24.07.2007
[7-2] European Directive Energy Performance of Buildings (EPBD): EU Gebäuderichtlinie 2010 für energieeffiziente Gebäude; 19.05.2010
[7-3] Weiß, Peter: Exergie in Heiz- und Kühlsystemen; Bachelorarbeit; Juli 2012; Hochschule Biberach
[7-4] Schmidt, Dietrich; Kühl, Lars: Berechnungsblatt – Exergiebedarf zur Wärmeversorgung von Gebäuden; Excel-Werkzeug; Heizperiodenbilanz-Verfahren in Anlehnung
an IEA Annex 37; April 2009; Kassel
[7-5] Schabbach, Thomas; Wesselak, Viktor: Regenerative Energietechnik; SpringerVerlag Berlin Heidelberg; Mai 2009; Nordhausen
[7-6] Koenigsdorff, Roland: Oberflächennahe Geothermie für Gebäude; Grundlagen und
Anwendungen zukunftsfähiger Heizung und Kühlung; Fraunhofer IRB Verlag; 2011;
Stuttgart
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8. Untersuchungen zum Standort der Heizzentrale (Knecht-Ingenieure, EbertIngenieure, @ssmann gruppe, KEA)
8.1 Bürgerheim Biberach: Lage der Heizzentrale für die zukünftige Versorgung
Im Rahmen der Konzeption einer nachhaltigen Wärmeversorgung wird für das Bürgerheim
Biberach ein Erzeugungssystem ins Auge gefasst, das aus folgenden Komponenten besteht:
- Solarkollektoren zur umweltneutralen Wärmeerzeugung (ca. 75 m²)
- Holz-Blockheizkraftwerk zur umweltfreundlichen Erzeugung von Wärme und Strom im
Wärmegrundlastbereich(ca. 45 kW elektrische Leistung, 105 kW thermische Leistung)
- Holz-Hackschnitzelheizung (ca. 500 kW thermische Leistung) zur umweltfreundlichen Abdeckung der Hauptlasten der Wärmeversorgung
- Gas-Spitzenlastkessel mit Brennwertnutzung (ca. 1400 kW) zur Abdeckung der Lastspitzen
und Schwachlastphasen sowie als Sicherheits-Redundanzkessel
Alle Strom- und Wärmeversorgungskomponenten können in einer zweigeschossigen Heizzentrale mit Grundfläche ca. 12 x 20 m mit einem ca. 13 m hohen Kamin untergebracht werden. Auch eine eingeschossige Lösung ist denkbar. Es stellt sich die Frage, was für und gegen eine Zentrale auf dem Bürgerheimareal spricht, bzw. wie weit eine nicht auf dem Areal
gelegene Zentrale entfernt sein darf. Drei prinzipielle Möglichkeiten sind dabei vorhanden:
- Neue Heizzentrale auf dem Bürgerheimareal
- Neue Heizzentrale räumlich entfernt vom Bürgerheimareal, Versorgung nur des Bürgerheimareals
- Modernisierte Heizzentrale der Stadtwerke e.wa riss in der Memelstraße, Versorgung des
Bürgerheimareals und weiterer Wärmeabnehmer
Bild 8-1: Beispiel einer zweigeschossigen 12x20 m großen Heizzentrale für das Bürgerheim
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8.1.1 Heizzentrale auf dem Bürgerheimareal
Für die Lage der Heizzentrale auf dem Bürgerheimareal gibt es mehrere Möglichkeiten (siehe Bild 8-1).
Bild 8-2: Mögliche Lagen einer Heizzentrale auf dem Areal. Rot: Bisher im EnEff:Stadt-Projekt
angedachter Standort
Dabei gilt: Je näher die neue Heizzentrale an der bisherigen (im Keller von Gebäude 1) liegt,
desto einfacher wird der Anschluss an das Wärmenetz und die Nutzung der bisherigen
Trassenwege. Denn das bestehende, von Gebäude 1 ausgehende, strahlenförmige Wärmenetz soll ja nicht komplett erneuert, sondern nur verändert und ergänzt werden, soweit es für
Abrisse und Neubauten notwendig wird.
Vom Projektteam wurde zunächst vorgeschlagen, die Heizzentrale südlich von Gebäude 1 in
Straßennähe zu platzieren (siehe „Roter Punkt“ in Bild 8-2, dabei kann die Heizzentrale aber
auch weiter von Geb. 1 nach „rechts“ wegrücken). Problematisch von Seiten des Hospitals
wird hier gesehen, dass die Heizzentrale mehr oder weniger direkt vor dem neuen Restaurant bzw. seiner Terrasse liegt.
@ssmann gruppe
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Bild 8-3: Die zunächst vorgeschlagene Heizzentrale neben Gebäude 1 kollidiert mit Nutzungsinteressen
Falls Gebäude 4 („roter Bau“) erhalten bleibt, wäre auch eine Heizzentrale im 5 m hohen
Kohlekeller des roten Baus untersuchungswürdig. Allerdings stellt sich die Frage, ob die
künftige Nutzung, Eigentumsregelung, Sanierung etc. so rechtzeitig geplant und umgesetzt
werden kann, dass eine neue Heizanlage im Sommer 2015 betriebsbereit ist (Grund: KfW
Zuschuss für Sanierung Gebäude 1). Die Chancen stehen nicht gut, denn zurzeit ist noch
offen, ob das Gebäude überhaupt bestehen bleibt oder abgerissen wird.
Ein Standort in der nördlichen Gebäudeecke Königsbergallee – Rollinstraße oder südlich am
Mühlweg nahe Gebäude 9 (Unregelmäßige grüne Vielecke in Bild 8-1) würde wertvolle Freifläche kosten und die Frage nach der gestalterischen Integration in das bisher architektonisch stark aufgewertete Ensemble aufwerfen.
Eine weiter zu diskutierende Möglichkeit wäre es, den Keller eines der ab 2015 geplanten
Neubauten für die Heizzentrale zu nutzen, dann könnte auch der 13 m hohe Kamin im oder
am Gebäude „verschwinden“. Dazu müssten jedoch mindestens die für die Heizzentrale
notwendigen Räumlichkeiten bis zum Sommer 2014 errichtet sein, damit die Heizzentrale
eingebaut werden kann. Besonders anbieten würde sich Gebäude 13, nahe an der bisherigen Heizzentrale gelegen und direkt an der Rollinstraße liegend.
@ssmann gruppe
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Bild 8-4: Alternativer Standort für die Heizzentrale: Im Kellergeschoss des Neubaus, Gebäude
13, direkt an der Rollinstraße. Zumindest das Kellergeschoss bzw. die Räumlichkeiten für die
Heizzentrale müssten dann bis Sommer 2014 fertiggestellt werden
Insgesamt sind die Vor- und Nachteile einer straßennahen Heizzentrale auf dem Gelände
folgendermaßen zu sehen:
Vorteile:
- Das Projekt ist als in sich geschlossenes Ganzes darstellbar und in der Öffentlichkeit als
Gesamtprojekt mit hohem Nachhaltigkeitsanspruch vermittelbar.
- Wärmeverluste durch Rohrleitungen zwischen Heizzentrale und Versorgungsbereich existieren nicht, da die Heizzentrale direkt im Versorgungsbereich liegt.
- Eine LKW-Zufahrt ist gut möglich, ohne allzu weit ins Gelände einzufahren
- Schall-, Schadstoff- und Geruchsemissionen stellen mit moderner Filter- und Schalldämmtechnik kein Problem dar
- Die Wärme kommt nicht „anonym“ ins Haus, das Heizen mit dem regenerativen Energieträger Holz und mit Sonnenenergie wird sichtbar und erlebbar.
Nachteile:
- Wird die Heizzentrale nicht in ein existierendes oder neu zu errichtendes Gebäude eingebaut, sondern als eigenes Gebäude errichtet, so wird eine Grundfläche von ca. 12 x 20 m
zzgl. Abstandsflächen zu anderen Gebäuden in Anspruch genommen. Bei 5 m Abstand
rundum wären dies beispielsweise rund 560 m2. Eine Heizzentrale an anderer Stelle würde
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dieselbe Grundfläche beanspruchen, Grund und Boden könnten jedoch ggfs. weniger Wert
besitzen. Bei einer Differenz von 200 €/m² wären dies beispielsweise 112.000 €.
- LKW Lieferungen werden am Rand des Areals wahrgenommen und können ggfs. belästigend wirken.
Bild 8-5:Beispiele von Heizzentralen: Links: Heizikone in Bad Aibling, Architekt Matteo Thun &
Partners. Hinter dem Tor befindet sich ein 500 kW-Holzhackschnitzelkessel. Rechts: München
Neuaubing Geothermie-Heizzentrale
8.1.2 Neue Heizzentrale räumlich entfernt vom Bürgerheimareal, Versorgung nur des
Bürgerheimareals
Rein technisch gesehen kann eine neue Heizzentrale auch außerhalb des Bürgerheimareals
liegen und beansprucht dann weder Flächen im Areal, noch wirkt sie in anderer Weise störend. Um die Investitionskosten (Rohrleitungen) und Betriebskosten (Pumpenstromverbrauch) so niedrig wie möglich zu halten, wäre ein Standort so nahe wie möglich am Areal
wünschenswert, am besten östlich des Areals im Bereich der Rollinstraße, um eine einfache
Anbindung an das bestehende Wärmenetz sicherzustellen. Eine geringe Distanz zum Areal
ist dabei nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswert, sie kommt auch den Projektzielsetzungen einer möglichst effizienten Energienutzung und Exergieoptimierung zugute.
Ein gut möglicher Standort sehr nahe zur bisherigen Heizzentrale wurde bisher nicht benannt. Eine realistische Möglichkeit wäre der Einbau der Heizzentrale in das teilweise leerstehende bzw. umnutzbare Heizhaus der Stadtwerke e.wa riss GmbH in der Memelstraße 3,
ggf. unter Erweiterung der Baulichkeiten. Dazu müssten jedoch sicher diverse eigentumsrechtliche Fragen vorab geklärt werden.
Eine Ausarbeitung von Ebert-Ing. gibt zu dieser Lösung folgende Kenndaten an:
- Die Rohrtrasse wird in Kunststoffmantelrohrsystem 2 x DN 100 vorgesehen.
- Die Trassierung ist vorzugsweise über die Königsbergallee vorzunehmen (über den
Mühlweg wären weitere 60 m Trassenlänge anzusetzen).
- Incl. Dehnungsausgleich ergibt sich eine Trassenlänge von ca. 670 m, hinzu kommen 150
m für die Leitungsführung auf dem Gelände zur bisherigen Zentrale.
- Die Kosten für die erdverlegte Rohrtrasse durch die öffentlichen Straßen werden auf ca.
370.000 € geschätzt, hinzu kommen 75.000 € für die Leitungsführung auf dem Gelände zur
bisherigen Zentrale. In der Summe ergeben sich Leitungskosten von 445.000 €.
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- Die durch die Trasse entstehenden zusätzlichen Wärmeverluste wurden mit ca. 60 MWh/a
ermittelt.
- Für zusätzliche Pumpenergie kann man von ca. 1 MWh/a elektrischer Energie ausgehen.
-Ein weiterer, noch nicht kalkulierbarer Aspekt liegt in der Erhöhung des Systemdruckes, der
ggfs. eine hydraulische Trennung über Wärmeübertrager erfordert.
Bild 8-6: Zwei Alternativen einer möglichen Trassenführung von der e.wa riss-Heizzentrale zum
Bürgerheim-Areal (Ebert-Ing.)
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8.1.3 Modernisierte Heizzentrale der Stadtwerke e.wa riss in der Memelstraße, Versorgung des Bürgerheimareals und weiterer Wärmeabnehmer
In der Heizzentrale der e.wa riss befinden sich zur Zeit ein 1983 eingebauter Öl/Gas-Heizkessel mit 1.500 kW sowie 4 Erdgas-BHKW mit je 50 kW elektrischer und 100 kW thermischer Leistung. Die BHKW wurden 2008 einer Revision unterzogen mit Vollwartungsvertrag
bis 2018. Im Gutachten des Ingenieurbüros Fischer von 2006 wird berichtet, dass die Heizzentrale im Jahr 2006 ein Hallenbad, zwei Wohngebäude und eine Schule mit Turnhalle versorgte, bei einer Jahreswärmelieferung von 1.996.000 kWh. Das Hallenbad soll in Zukunft
entfallen, der Wärmeverbrauch reduziert sich dadurch auf rund 1.000.000 kWh/a (dies entspricht etwa 30 % des Bürgerheim-Wärmeverbrauchs). Das alte Hallenbad soll abgerissen
werden und einer noch nicht näher spezifizierten, späteren Neubebauung weichen. Es wäre
denkbar, das „Bürgerheim-Versorgungskonzept“ für die Gesamtanlage umzusetzen. Dann
würde der alte Kessel durch eine Holzhackschnitzelheizung mit Gasspitzen- und -schwachlastkessel, wie im Bürgerheim-Konzept, ersetzt, jedoch mit einer Leistungsklasse, die auf die
Gesamtversorgung ausgelegt ist. Auf die erst 2008 überholten Gas-BHKWs wird man seitens der e.wa riss wohl nicht verzichten wollen. Denkbar wäre es jedoch, zusätzlich ein
Holzhackschnitzel-BHKW zu installieren. Dieses sollte dann räumlich getrennt von den Erdgas-BHKW installiert werden, so dass es zusammen mit den Holz- und Gaskesselanlagen
(die dann eben noch andere Gebäude mitversorgen), als Versorgungssystem des Bürgerheims wahrgenommen werden kann. Zu überlegen wäre auch, bei der Verlegung der Heizungs-Rohrtrassen zum Bürgerheim-Areal auch Stromleitungen mit zu verlegen, um bei Änderungen der Förderrichtlinien eine Eigennutzung des erzeugten Stroms zu ermöglichen.
Vorteile:
- Kosteneinsparungen für bauliche Maßnahmen (müsste genauer untersucht werden, da
dennoch Umbaumaßnahmen notwendig werden).
- Auf dem Bürgerheimareal wird kein Platz verbraucht und es gibt keine akustischen Beeinträchtigung durch LKW-Anlieferungen etc..
Nachteile:
- Laut einer Ausarbeitung der Ebert-Ing. entstehen für die Leitungsführung zwischen Heizzentrale und Bürgerheimareal Kosten von ca. 445.000 €. Weiterhin entstehen zusätzliche
Rohrleitungsverluste von ca. 60.000 kWh/a und Pumpenstromverbrauch von 1000 kWh/a.
Bei 0,07 Ct pro kWh Wärme und 25 Ct pro kWh Strom bedeutet dies jährliche Mehrkosten
von ca. 4.500 €.
- Aufgrund der Leitungslängen werden ggfs. hydraulische Trennungen (mit Wärmetauschern)
notwendig, welche die Systemeffizienz weiter verschlechtern
- Unter Beibehaltung der 200 kW Erdgas-BHKW-Stromerzeugung und Hinzufügung eines
45 kW Holz-BHKW wird nur etwa 18 % des Stromes regenerativ mit Holz erzeugt. Die
Darstellbarkeit der Bürgerheim-Wärmeversorgung und Stromerzeugung aus regenerativen
Quellen wird dadurch hinterfragbar. Das Projekt lässt sich möglicherweise nicht mehr als
ganzheitliche, geschlossene Lösung kommunizieren.
- Aufgrund eines deutlich erweiterten Versorgungsbereichs, wäre diese Lösung möglicherweise schwieriger als Nachfolgeprojekt vermittelbar, da für die neu hinzukommenden Gebäude weder eine Bestandserfassung noch eine Integration in das bestehende Konzept
vorliegt.
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8.1.4 Technisch-wirtschaftliches Fazit
Von der Darstellbarkeit des Projektes her wäre es günstig, wenn die Bürgerheim-Heizzentrale, auf dem Areal oder in der Nähe des Areals liegt. Ein an das Areal angrenzender
Standort, z.B. straßenangrenzend jenseits an der Rollinstraße, Mühlweg, Königsbergallee,
oder Waldseer Straße wäre unseres Erachtens durchaus vertretbar. Ein Standort außer
Sichtweite dürfte sich auf die Projektwirkung abträglich auswirken, da der unmittelbare Zusammenhang Erzeugung – Verbrauch nicht mehr wahrgenommen wird. Wir empfehlen eine
Realisierung der Heizzentrale auf oder angrenzend zum Bürgerheim-Areal bis zu einer Maximal-Entfernung von etwa 200 m Trassenlänge. Sollten nutzungsspezifische oder andere
Gründe jedoch den Ausschlag für eine Modernisierung der Heizzentrale Memelstraße der
e.wa riss geben (Kap. 8.1.3), dann ist auch diese Lösung möglich.
Weitere detaillierte ingenieurmäßige Detaildarstellungen siehe Anhang 5.
8.2 Wahl des Standorts der Heizzentrale - Anmerkungen aus der Sicht einer Umsetzbarkeit im Rahmen des Contractings (KEA)
In der Besprechung vom Oktober 2012 wurde auf die Frage des möglichen Standorts eingegangen. Angedacht sind Standorte auf dem Gelände des Hospitals (Gebäude 4) und in einer
etwa 600 m Luftlinie entfernten Heizzentrale der Stadtwerke Biberach. Von dieser Heizzentrale versorgen die Stadtwerke nach dem Diskussionsstand vom Oktober ein umliegendes
Wohn- und Gewerbegebiet mit KWK- Wärme, die KWK- Anlagen dürften jedoch am Ende
ihrer technischen Lebensdauer stehen.
Für einen Standort außerhalb des Geländes spricht sicherlich, dass das zur Verfügung stehende Gelände nicht mit zusätzlichen Funktionsbauten belastet wird und die Brennstofflogistik für die Versorgungslösungen mit Biomasse außerhalb des Geländes gehalten werden
kann. Die Belastung des Geländes mit der Brennstofflogistik wird auch bei ausreichender
Größe des Brennstoffbunkers mindestens eine wöchentliche Zufahrt von größeren Transportfahrzeugen erforderlich machen.
Gegen eine Auslagerung des Heizhauses in das Gebäude der Stadtwerke spricht, dass damit frühzeitig festgelegt wird, dass die Stadtwerke damit quasi zwangsläufig der Versorgungspartner des Hospitals werden. Mit einer solchen frühzeitigen Weichenstellung wird aus
unserer Sicht ein Ideen- und Preiswettbewerb zwischen verschiedenen Contractoren unterbunden. Weiter müsste in der Umsetzungsphase geklärt werden, inwiefern die Stadtwerke
einer Umsetzung der nun ausgearbeiteten Versorgungskonzeptionen näher treten möchten
und ob dies im Hinblick auf die bisher aus diesem Heizhaus versorgten Abnehmer dies technisch und wirtschaftlich überhaupt möglich ist.
Der bisher diskutierte Standort auf dem Gelände ist an den Weitererhalt eines denkmalgeschützten Gebäudes 4 gebunden. In der Besprechung vom Oktober 2012 wurde deutlich,
dass derzeit noch nicht entscheidungsreif gesagt werden kann, ob dieses Gebäude weiterhin
erhalten bleibt oder doch abgerissen wird.
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Die Frage des Standortes ist zu diesem Zeitpunkt und auch im Hinblick auf eine
Contractingausschreibung in der Umsetzungsphase des Projekts nicht zwingend festzulegen. Wesentlich ist vielmehr, dass die wesentlichen Projektprämissen in der einer Ausschreibung festgelegt werden:
- Die Ziel- Primärenergiebilanz des Gesamtprojekts und der Anteil, den die Erzeugerseite
dazu beiträgt muss unabhängig des Standorts erhalten bleiben.
- Die besonderen technischen Anforderungen an den Standort müssen vom
Contractinganbieter so gewählt werden, dass diese der Umsetzung der favorisierten Varianten nicht im Weg steht.
- Eine frühzeitige und einseitige Bindung an einen möglichen Contracting- Akteur muss in
jedem Fall vermieden werden, da sonst ein Kosten- und Ideenwettbewerb von vorneherein
unterbunden wird, und einer der wesentlichen Vorteile des Contractingvorhabens nicht zum
Tragen kommen könnte.
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9. Weitere Optimierung des vorausgewählten Konzepts (TU Dresden)
9.1 Projektziel und Aufgabe
- Projektziel
Das Bürgerheim Biberach (BB) ist eine Einrichtung der Stiftung „Der Hospital“. Die Stiftung
hat als eigenständige Rechtspersönlichkeit öffentlich-rechtlichen Charakter und wird kommunal verwaltet. Auf dem Areal des Bürgerheims befinden sich heute 10 Gebäude mit Nutzung als Altenpflegeheime, Altenwohnungen, Einrichtungen zur Tagesbetreuung, Kindergarten, Schule und Verwaltung. Im Rahmen einer Quartiersentwicklung soll auch das Nahwärmenetz des Bürgerheims, das zur Zeit mit zwei großen Gaskesseln versorgt wird, modernisiert und energetisch optimiert werden. Die Wärmeerzeugung soll dabei möglichst weitgehend auf regenerative Energien umgestellt werden.
Ein erstes Energiekonzept, das die Entwicklungsmöglichkeiten skizziert, liegt vor. Die Untersuchung und Optimierung der Erzeugeranalgen und des Versorgungsnetzes steht jedoch
noch aus.
- Ursprüngliche Aufgabenstellung
Es wird eine modellbasierte Systemoptimierung durchgeführt.
Das vorhandene Wärmeversorgungsnetz ist sowohl im Hinblick auf die veränderte Bedarfsstruktur infolge der energetischen Gebäudesanierungen und der geplanten Erweiterungsbauten als auch im Zusammenhang mit der Umstellung der Wärmeerzeugung zu untersuchen,
um eine auf die Versorgungsaufgabe optimal abgestimmte Infrastruktur zu erstellen. Die Optimierung des Wärmeversorgungssystems umfasst dabei die beiden Teilaufgaben:
•
•
Netzoptimierung
Niedertemperatureinspeisung
und soll mit Hilfe eines modelbasierten Ansatzes erfolgen.
Teilleistung 1: Netzoptimierung
Aufbauend auf den vorhandenen Daten und Voruntersuchungen werden dynamische und
thermisch-hydraulisch gekoppelte Simulationsrechnungen durchgeführt, um unterschiedliche
Entwicklungsalternativen miteinander vergleichen und bewerten zu können. Die Simulationsrechnungen decken jeweils einen vollständigen Jahresgang ab einschließlich der jahreszeitlich variierenden und in Abhängigkeit der vorzugebenden Szenarien (Zubau, Abriss, Sanierung) unterschiedlichen Wärmelastverläufe. Aus diesen dynamischen Betrachtungen lassen
sich Schlussfolgerungen ableiten zu den Fragestellungen:
•
•
•
Netzgestaltung (Strukturoptimierung),
energetisch optimale Anordnung von Wärmeerzeugern
optimierte Betriebsweise (Systemtemperaturen, Hilfsenergie).
Mit den dynamischen Betrachtungen werden insbesondere die aus dem im Jahresverlauf
dominierenden Teillastbetrieb resultierenden energetischen Auswirkungen berücksichtigt.
Auf diese Weise lassen sich Jahres-Nutzungsgrade und jährliche Energie- und Brennstoffkosten minimieren.
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Die Kostenschätzung geht davon aus, dass bis zu fünf Anlagenvarianten und Betriebsszenarien zu untersuchen sind. Die Bestandsaufnahme und Datenbeschaffung ist Bestandteil eines vorgelagerten Prozesses und nicht in den Kosten enthalten. Es kann davon ausgegangen werden, dass eine Übernahme der Netzdaten in das Simulationsprogramm TRNSYSTUD über geeignete Schnittstellen erfolgen kann.
Teilleistung 2: Niedertemperatureinspeisung
Es werden dynamische Jahressimulationen durchgeführt, mit denen die Einspeisung dezentraler Niedertemperaturwärme, die z.B. aus kleineren dezentral angeordneten solarthermischen Anlagen (z.B. auf den Dächern einiger Häuser installiert) gewonnen wird, bewertet
werden kann. Die Einspeisung erfolgt wahlweise in den Vorlauf oder Rücklauf des Netzes.
Die Bewertung der Niedertemperatureinspeisung erfolgt unter energetischen Aspekten, wobei insbesondere Fragestellungen nach den Auswirkungen auf die vorhandenen Wärmeerzeuger sowie die Sicherstellung der Versorgungsaufgabe zu beantworten sind.
- Begründung für die Änderung der Aufgabenstellung
Beim Projekttreffen am 22.08.2012 wurde bei den Besprechungen und anschließender Gelände-Begehung festgestellt, dass
1)
2)
die ursprünglich inhaltliche Ausrichtung so in voller Variantenvielfalt nicht mehr existiert und dahingehend eingeschränkt werden kann, dass alle Wärmeerzeuger und
thermischen Speicher an zentraler Stelle lokalisiert werden und
die Ausdehnung des zu konzipierenden Nahwärmenetzes sehr gering ist. Durch die
vorhandenen (auch für Versorgungsleitungen vorgesehenen) Kellergänge und Kanäle
bestehen bezüglich der Trassenführung kaum Wahlmöglichkeiten.
Daraus folgt, dass eine dynamische Netzsimulation nicht notwendig ist und die optimale
Netzauslegung sich auf die Durchmesseroptimierung von kurzen Leitungen beschränkt und
damit eine planerische Routineaufgabe darstellt, für die ein kleinerer Support (Demonstration
einer Softwareanwendung) ausreicht.
In den Fokus rückte bei den Besprechungen vielmehr die optimale Gestaltung (Auslegung
und Betriebsführung) der Anlagen zur Wärmeerzeugung und Wärmespeicherung.
Neue Zielrichtung:
Nach einem vorgegebenen Variantenschema werden für jede Variante die erforderliche
Brennstoffmengen und die erzielbaren Einsatzzeiten ermittelt und liefern so die Basis für die
Bewertung.
Die Arbeitsinhalte für die TU Dresden werden deshalb entsprechend geändert und gemäß
dem Zeitplan des Gesamtprojektes wird diese Aufgabe in zwei Etappen gegliedert:

Energiebilanzen und Brennstoffmengen
Diese Etappe kommt ohne Einsatzoptimierung aus und unterstellt eine sinnvolle
Speichergröße und einen vereinfachten Speichereinsatz.

Optimierung der Systemelemente
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Die Leistungsgröße der Einspeiser (Wärmeerzeuger und Wärmespeicher) wird durch
Variantenrechnung bestimmt, wobei für jede Variante eine vollständige Einsatzoptimierung aller Einspeiser für ein ganzes Jahr durchgeführt wird.
- Neue Aufgabenstellung
Teilleistung 1: Energiebilanzen
Ziel
Für erste Entscheidungen sind für eine Anlagenkonfiguration verschiedene Anlagegrößen
dahingehend zu untersuchen, welche Brennstoffmengen die Wärmeerzeuger verbrauchen,
um eine realistische Kostenschätzung (nicht Bestandteil unserer Leistungen) vornehmen zu
können.
Anlagenkonfiguration
Als Anlagenkonfiguration wird die Alternative 4 des Schlussberichtes [9-1] angenommen:

Hackgutkessel

Holzgas BHKW

Solarthermie

Gas-Spitzenlastkessel
Datenbasis
Als Basis der Untersuchungen werden verwendet:

Verbrauchstrukturen (stündlicher Wärmebedarf) nach Prognose 2020

Wetterdaten vom TRY Zone 13

Wirkungsgrade werden gemäß Datenblättern verwendet.
Annahmen

Für die Teilleistung 1 wird eine sinnvolle Pufferspeichergröße angenommen.

Als Einsatzreihenfolge der Wärmeerzeuger wird festgesetzt:
1) Holzgas BHKW – 2) Solarthermie – 3) Holzhackgutkessel – 4) Gaskessel

Der Einsatzplan des Wärmespeichers erfolgt nach einfachen Regeln.

Die Einsatzwahrscheinlichkeiten die Biogas-BHKW werden eingeschätzt.
Varianten
Es werden 16 Varianten untersucht:

Größe des BHKW:
elektrische Leistung 30 kW und 50 kW

Solarthermiegröße:
Kollektor-Fläche 0 m², 25 m², 50 m² und 100 m²
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
Größe des Hackgutkessels:
Leistung 450 kW, 500 kW, 600 kW und 650 kW
(für eine festgelegte Solarthermiegröße)
Ergebnisse
Für jede Variante werden in Tabellenform ermittelt:

Bereitzustellende Energiemengen und Einsatzzeiten für jeden Erzeuger
Teilleistung 2: Optimierung der Systemelemente
Die Teilleistung 2 hat die Optimierung der Systemelemente (Wärmeerzeuger und Nahwärmenetz) zum Gegenstand.
Thema 1, Teilleistung 2: Optimierung des Nahwärmenetzes
Aufgabe
Da alle Wärmeerzeuger und thermischen Speicher an zentraler Stelle lokalisiert werden und
die Ausdehnung des zu konzipierenden Nahwärmenetzes mit einem Versorgungsradius von
150 m sehr gering ist und da auch durch die vorhandenen (auch für Versorgungsleitungen
vorgesehenen) Kellergänge und Kanäle bezüglich der Trassenführung keine Wahlmöglichkeiten bestehen, ist eine dynamische Netzsimulation nicht notwendig und die optimale Netzauslegung beschränkt sich auf die Durchmesseroptimierung von kurzen Leitungen. Das ist
eine planerische Routineaufgabe, für die ein kleinerer Support (Demonstration einer Softanwendung) ausreicht. Beispielhaft soll dafür das Programm zur Auslegung von Nahwärmenetzen „STEFaN“ genutzt werden.
Ergebnisse
Für eine Variante von Systemparametern wird geliefert:

Optimale Durchmesser in Tabellenform

Alle INPUT- und OUTPUT-Dateien von STEFaN für die gerechnete Variante
Thema 2, Teilleistung 2: Optimierung der Wärmeerzeuger und des Wärmespeichers
Ziel
Die Leistungsgröße der Einspeiser (Wärmeerzeuger und Wärmespeicher) wird durch Variantenrechnung bestimmt, wobei für jede Variante eine vollständige Einsatzoptimierung aller
Einspeiser für ein ganzes Jahr durchgeführt wird.
Als Anlagenkonfiguration wird die Alternative 4 des Schlussberichtes [9-1] angenommen (wie
in Teilleistung 1)
Datenbasis

Verbrauchstrukturen (stündlicher Wärmebedarf) nach Prognose 2020

Wetterdaten vom TRY Zone 13
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
Wirkungsgrade werden gemäß Datenblättern verwendet.

Die Brennstoffpreise und die Tarife für den Stromverkauf werden prognostiziert und
durchschnittliche Werte für die Zukunft werden angesetzt (nur 1 Variante)
Annahmen

Die Einsatzwahrscheinlichkeiten des Biogas-BHKW werden eingeschätzt.
Varianten
Es werden 48 Varianten untersucht:


3 Größen des Wärmespeichers (nutzbarer Wärmeinhalt):
o
voroptimierte Behältergröße
o
2 weitere
2 Größen des Holzgas BHKW:
elektrische Leistung 30 kW und 45 kW

2 Solarthermiegrößen:
Kollektor-Fläche 0 m² und günstigster Wert aus Teilleistung 1.

Leistung 450 kW, 500 kW, 600 kW und 650 kW
Ergebnisse
Für jede Variante werden in Tabellenform ermittelt:


Jährliche Brennstoffkosten

Erlöse aus der Stromlieferung BHKW
9.2 Grundlagen der Untersuchungen
Für eine ausgewählte Anlagen-Konfiguration werden in verschiedenen Varianten die eingespeisten Wärmemengen für ein typisches Jahr ermittelt.
Als Anlagenkonfiguration wird die Alternative 4 des Schlussberichtes Teil 1[9 -1], Kapitel 7,
angenommen.

Solarthermie

Holzgas BHKW, bzw. Erdgas-BKHW für die Varianten 51 bis 58 von 9.3

Hackgutkessel

Gas-Spitzenlastkessel
Die Anlagen werden in dieser Reihenfolge eingesetzt.
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Datenbasis

Verbrauchstrukturen: jährlicher Wärmebedarf nach Prognose 2020 aus [dem
Schlussbericht Teil 1 [9 -1], Kapitel 8

Lastprofile für den stündlichen Wärmebedarf aus [9 -2],

Wetterdaten vom ausgewählten Testreferenzjahr (für mittlere Witterungsverhältnisse
und Klima-Zone 13) aus [9-3] in der Datei TRY
Zeitraster
Als kleinstes Zeitintervall wird mit einer Stunde gearbeitet.
9.3 Energiebilanzen und Brennstoffmengen
9.3.1 Allgemeines
Es wurden 58 verschiedene Kombinationen von Anlagengrößen bilanziert. Da das Schema
mit gleich großen Schritten für die Leistungsänderung arbeitet, sind in dieser Zahl auch weniger interessante Varianten enthalten. Die vereinfachte Berechnung erfolgt in 3 Schritten.
Als Hilfsmittel wurde MS EXCEL mit selbstprogrammierten VBA-Modulen eingesetzt (siehe
Anhang 7-3).
9.3.2 Berechnungsschema
Vorgehen
Bei der Berechnung wird in 3 Schritten vorgegangen:
1 Die Datei TRY wird durch Formeln (siehe 9.3.2.2) ergänzt um die folgenden Größen:

die wirksame Temperatur TempAR für den stündlichen Wärmebedarf

der stündliche Wärmebedarf Qsoll aus dem Standardlastprofil [9 -2], gemäß dem
dort angegebenen Formalismus

die Gesamtstrahlung je Quadratmeter G (Summe aus diffuser Strahlung D und direkter Strahlung B)

den Solar-Ertrag je Quadratmeter Kollektorfläche E
2 Durch die Module (siehe Anhang A4-4a) in der Datei Matrix werden die folgenden Größen
stundenweise berechnet und in der Datei TRY eingetragen (diese Werte werden für jede
neue Variante überschrieben):

Stündliche Wärmeerzeugung der Vakuum-Röhrenkollektoren

Stündliche Wärmeerzeugung des HS-BHKW (bzw. des Gas-BHKW für die Varianten
51 bis 58)

Stündliche Wärmeerzeugung des HS-Kessels

Stündliche Wärmeerzeugung des Brennwert-Gaskessels
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
Stündliche speicherbare Wärmemenge
3 Summen und bedingte Summen werden gebildet für:

Q_Solar: Jährliche Wärmeerzeugung der Vakuum-Röhrenkollektoren

Q_BHKW: Jährliche Wärmeerzeugung des HS-BHKW (bzw. des Gas-BHKW für die
Varianten 51 bis 58)

Q_HS-Kessel: Jährliche Wärmeerzeugung des HS-Kessels

Q_Gaskessel: Jährliche Wärmeerzeugung des Brennwert-Gaskessels

hBHKW: Jährliche Einsatzstunden des HS-BHKW

hHSK: Jährliche Einsatzstunden des HS-Kessels

hGK: Jährliche Einsatzstunden des Brennwert-Gaskessels
Diese Werte werden in die Tabelle der Datei Matrix zeilenweise eingetragen.
Formeln im EXCEL-Sheet „TRY“
Wirksame Temperatur TempAR gemäß [9-2] für den stündlichen Wärmebedarf, als gleitender Mittelwert von der gemessenen Temperatur T(t) zum Zeitpunkt t und dem Wert für die
vorangehende Stunde TempAR(t - 1):
TempAR(t) = TempAR(t - 1) * AR + T(t) * (1 -AR)
mit AR =0,5(1/24) = 0,971532
Kollektor-Temperatur Tkoll
Tkoll = MAX(50; 60-(T(t) * 2))
Gesamtstrahlung G
G=D+B
Solar-Ertrag je Quadratmeter Kollektorfläche E
E = MAX(0; 0 * G - 1 * (Tkoll - T) – 2 * (Tkoll - T)2)
mit:
0 = 0,642
1 = 0,885
2 = 0,001
9.3.3 Tabellen der Zahlenwerte
Die Tabelle in Anhang A4-1 enthält die Energiebilanzen für die einzelnen betrachteten Varianten Nr. 1 bis 50 vom 28.09.2012, ergänzt um die Varianten 51 bis 58 am 12.10.2012, mit
den unten genannten Einschränkungen.
Bei den in der Tabelle dargestellten Wärmemengen von einem Jahr handelt es sich um abgegebene Wärme. Für die Ermittlung der erforderlichen Brennstoffenergie der Kessel und
des BHKW ist dann jeweils noch durch den entsprechenden Wirkungsgrad zu dividieren.
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Die Spalten bedeuten:

Solar: Nettofläche (Aperturfläche) der Vakuum-Röhrenkollektoren

BHKW: Leistungsgröße des HS-BHKW

HS-Kessel: Leistungsgröße des HS-Kessels

Q_Solar: Jährliche Wärmeerzeugung der Vakuum-Röhrenkollektoren

Q_BHKW: Jährliche Wärmeerzeugung des HS-BHKW

Q_HS-Kessel: Jährliche Wärmeerzeugung des HS-Kessels

Q_Gaskessel: Jährliche Wärmeerzeugung des Brennwert-Gaskessels

hBHKW: Jährliche Einsatzstunden des HS-BHKW

hHSK: Jährliche Einsatzstunden des HS-Kessels

hGK: Jährliche Einsatzstunden des Brennwert-Gaskessels
9.3.4 Fazit
Die Summe der jährlich erzeugten Wärmemengen ergibt einen Wert von 2795 MWh/a
(Summe Gebäudekennwerte 2020 plus 5 % Netzverluste.
Es sind die folgenden 2 Einschränkungen zu beachten:

Solare Ausbeute und Solarspeicher sind vereinfacht modelliert. Die solare Ausbeute
über ein Jahr ergibt aber einen realistischen Wert.

Die Speicherung für das BHKW und den HS-Kessel sind nur indirekt modelliert: Bei
jedem simulierten Ausschalten durch zu geringe Last wird angesetzt, dass die Anlage
noch 48 Stunden weiter betrieben wird und die überschüssige Wärme in den Speicher gelangt, von wo aus sie später wieder genutzt werden kann. Das wird in der
nächsten Arbeitsetappe detaillierter untersucht.
Es lässt sich nach Auswertung der vereinfachten Jahressimulationen ein erstes Fazit ziehen:

Die avisierte Größe der Solarkollektoren vom 50 m² ist klein genug, damit dem BHKW
keine nennenswerten Grundlast-Anteile weggenommen werden.

Die avisierte Größe des Pufferspeichers vom 20 m³ brutto ist groß genug, um häufiges An- und Ausschalten von BHKW und Holzhackschnitzelkessel zu vermeiden und
gleichzeitig gute Betriebszeiten zu erreichen.

Der größere HS-Kessel ist (bei dieser sehr vereinfachten Simulation) nicht in jedem
Fall der bessere, da er im Sommer/Übergang ggf. weniger zum Einsatz kommt. Das
hängt auch von der Größe des Pufferspeichers ab und muss noch weiter untersetzt
werden.

Diese Bilanzen sind nur überschläglich gültig, aber viel Besseres war bei einer gröberen Modellierung des Speichers und ohne Optimierung des Erzeugereinsatzes in der
1. Arbeitsetappe nicht möglich.
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9.4 Optimierung des Nahwärmenetzes
Da alle Wärmeerzeuger und thermischen Speicher an zentraler Stelle lokalisiert werden und
die Ausdehnung des zu konzipierenden Nahwärmenetzes mit einem Versorgungsradius von
150 m sehr gering ist und da auch durch die vorhandenen (auch für Versorgungsleitungen
vorgesehenen) Kellergänge und Kanäle bezüglich der Trassenführung keine Wahlmöglichkeiten bestehen, ist eine dynamische Netzsimulation nicht notwendig und die optimale Netzauslegung beschränkt sich auf die Durchmesseroptimierung von kurzen Leitungen. Für diese
planerische Routineaufgabe wird ein kleinerer Support durch die Anwendung einer Software
demonstriert.
Beispielhaft wird dafür das im vom BMWi geförderten Projekt [9-4] entwickelte Programm zur
Auslegung von Nahwärmenetzen „STEFaN“ (den Begrüßungsbildschirm zeigt Bild 9-1) für
vorgegebene Systemparameter sowie für vorgegebene Ortslage der Wärmeerzeugung genutzt.
Bild 9-1: Info Programm STEFaN
Die verwendeten Daten sind den folgenden Bildschirm-Schnappschüssen zu entnehmen. Zu
beachten ist insbesondere, dass die Lage der Einspeisung (Heizzentrale) noch dem Stand
von [9-1] entspricht. Die Kennziffern a0 und aV für die Komplexpreise der Wärmetrasse wurden für die Bedingungen einer Verlegung im unbefestigtem Gelände eines Siedlungsgebietes (VA = 2) festgelegt.
Für die Erfassung der geografischen Ausgangsdaten und Ergebnisse wurde das GISProgramm ShapeUp (Bezugsquelle [9-5]) verwendet.
Ausgangsdaten
Es wird ein Einspeisedruck (Differenzdruck am Ausgang der Heizzentrale) von 4 bar angesetzt und die Systemtemperaturen für den Auslegungsfall sind 105 / 60 °C
(siehe Bild 9-2).
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Bild 9-2: Formular Systemparameter
Die möglichen Innen-Durchmesser und Kostenwerte der Trassen sind gemäß Bild 9-3 vorgegeben.
Bild 9-3: Formular Trassen
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Ausgangspunkt ist der Plan des Areals (Bild 9-4) mit den eingezeichneten schon vorhandenen und möglichen neuen Trassen
„Plan.tif“,
der georeferenziert werden muss. Die Referenz-Infos sind in der Datei
„Plan.tfw“
abgelegt:
Bild 9-4: Lageplan im GIS
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In der Datei
„Bürgerheim Jahr 2020 Nahwärme 2120615.tif“
sind die die Einspeise- (blau) und Entnahmepunkte (magenta) sowie die maximalen Wärmeverbräuche dargestellt (Bild 9-5).
Die Referenz-Infos sind in der Datei
„Bürgerheim Jahr 2020 Nahwärme 2120615.tfw“
abgelegt.
Bild 9-5: Gebäudeplan im GIS
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Deren Lage (kleine gelbe Quadrate) muss im Theme „Abnehmer“ digital erfasst und die
Wärmehöchstlast im Attribut „Qmax“ eingetragen werden, siehe Bild 9-6.
Bild 9-6: Erzeuger und Abnehmer im GIS
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Die möglichen Trassen müssen im Theme „Trassen“ mit der Maus vorgegeben (dünne blaue
Linien im Bild 9-7) und dabei die Attribute „VA“, „Bestand“ und „Dmax“ vergeben werden.
Bild 9-7: Eingegebene Trassen im GIS
Die angelegten Themes müssen im MIF-Format exportiert werden und stehen im Programm
„STEFaN“ als Eingabedateien zur Verfügung.
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Ergebnisse
Nach Import (und ggf. Bearbeiten) der Eingabedaten und erfolgter Optimierung stehen die
Ergebnisse zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
Die geografischen (teilstreckenbezogenen) Informationen wie Durchmesser, Kosten und Differenzdruck müssen nach GIS exportiert werden, eine summarische Übersicht kann angezeigt werden, siehe Bild 9-8.
Bild 9-8: Ergebnisse im Formular
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Die exportierte GIS-Datei („Ergebnis_0.MIF“) kann nun wieder im GIS-System dargestellt
(dünne blaue Linien im Bild 9-9, die markierte Teilstrecke rot) werden:
Bild 9-9: Ergebnisse im GIS
Die Werte der Attribute stehen als Klartext in der Datei „„Ergebnis_0.MIF““ und können auch
mit einem externen Editor oder einem Tabellenkalkulationsprogramm angesehen oder weiter
verarbeitet werden (s. Tab. 9-1).
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AK
EK
(int.
Knotennr.)
28
1
34
2
35
3
26
4
36
5
16
6
33
7
20
8
37
9
24
10
38
11
29
12
39
13
17
14
36
16
21
17
27
18
32
19
19
20
30
21
39
22
18
23
37
24
15
25
25
26
15
27
34
28
22
29
23
30
18
32
32
33
27
34
25
35
35
36
23
37
30
38
21
39
L
m
5,7
5,1
4,9
4,6
4,8
3,2
2,6
3,2
3,7
5,3
3,6
4,0
8,6
5,4
37,0
24,4
48,0
9,5
17,9
36,8
0,2
7,5
54,4
66,3
35,7
29,5
34,8
33,1
40,9
11,4
10,3
4,3
2,5
34,5
5,4
8,9
52,4
DU
mm
28,5
28,5
28,5
28,5
28,5
28,5
70
70
70
70
28,5
28,5
53,9
28,5
28,5
28,5
69,7
28,5
70
53,9
28,5
69,7
70
36
28,5
69,7
28,5
28,5
53,9
28,5
70
28,5
28,5
28,5
70
28,5
53,9
MS
kg/s
0,254
0,254
0,376
0,370
0,550
0,074
0,646
0,937
0,788
0,667
0,254
0,254
1,614
0,667
0,074
0,667
5,825
0,937
0,937
2,534
0,254
4,243
0,667
1,370
0,370
6,333
0,254
0,254
2,788
1,582
0,646
0,508
1,000
0,624
1,455
0,254
1,868
KO
EUR/a
93,8
83,9
79,8
142,7
79,6
51,8
0
0
0
0
59,3
65,8
164,5
89,2
606,8
400,2
1004,2
156,4
0
707,4
3,2
156,4
0
1142,3
1113,7
617
571,4
544
784,7
187,5
0
70,9
41
567,2
0
145,3
1005,2
DiffDruck
bar
3,4009
3,4690
1,4244
1,3543
1,0000
1,0372
1,8862
1,6329
2,6266
2,6185
2,0925
1,0183
1,0000
1,2724
1,0377
1,3443
2,7395
1,6391
1,6338
1,6669
1,0896
2,6312
2,6193
1,5191
1,3730
3,5120
3,4119
1,0260
2,1165
1,8879
1,8865
3,4788
1,4448
1,0437
2,6274
2,0995
1,0900
Tab. 9-1: Optimale Durchmesser in Tabellenform
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Seite 128 von 219
INPUT- und OUTPUT-Dateien von STEFaN für die gerechnete Variante
Die folgenden Dateien wurden zur Berechnung verwendet bzw. als Ergebnis angelegt.






INPUT-Geodaten zur Orientierung und als Eingabehilfe:
o
plan.tif
o
plan.tfw
o
Bürgerheim Jahr 2020 Nahwärme 2120615.tif
o
Bürgerheim Jahr 2020 Nahwärme 2120615.tfw
Im GIF angelegte Geodaten als INPUT für STEFaN:
o
Abnehmer.mif
o
Abnehmer.mid
o
Trassen.mif
o
Trassen.mid
INPUT nichtgeografische Daten:
o
Kosten.txt
o
Projekt.txt
OUTPUT nichtgeografische Daten:
o
Auswertung.txt
o
Ergebnis_0.txt
OUTPUT geografische Daten:
o
Ergebnis_0.MIF
o
Ergebnis_0.MID
Datei für das GIS-Programm ShapeUp mit den geografischen Daten:
o
Biberach.sup
Diese Dateien werden in elektronische Form im Archiv „Biberach_Netz.zip“ übergeben, siehe
A4-5.
Weitere Dateien werden vom Programm vorzugsweise zu Prüfzwecken angelegt.
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Seite 129 von 219
9.5 Optimierung der Wärmeerzeuger und des Wärmespeichers
9.5.1 Mathematisches Modell
Als Anlagenkonfiguration wird die Alternative 4 des Schlussberichtes [9-1] angenommen (wie
in Teilleistung 1). Die Wärme-Einspeisung aus der Solarthermie ist fest vorgegeben und wird
als fix aus der Optimierung zunächst ausgeklammert. Das mathematische OptimierungsModell besteht aus Zielfunktion, Variablen und Nebenbedingungen.
o
Variablen
o
Wärmeeinspeisung aus den Wärmequellen: HS-Kessel, HS-BHKW, Wärmespeicher sowie Brennwertkessel (und als Variante in 9.5.6 auch die Solarthemie)
o
Ladezustand des Wärmespeichers
o
Beim Anschalten einer Anlage werden Hilfsvariable zum Integrieren der Anfahrkosten in die Zielfunktion benötigt.
Bestandteile der Zielfunktion:

o
Brennstoffkosten
o
Für die Brennstoffpreise werden mit 29,00 EUR/MWh für Hackgut W15 und
47,00 EUR/MWh für Erdgas dem Kapitel 4 entsprechende Werte verwendet. Für
den thermischen Wirkungsgrad (Jahresnutzungsgrad) wird beim BHKW 0,63,
beim HS-Kessel 0,85 und beim Brennwertkessel 0,95 angenommen.
o
Erlöse für Stromgutschriften
o
Für die Gutschrift für den Stromverkauf von 155 EUR/MWh wird ebenfalls der
Wert von Kapitel 4 verwendet. Die aktuelle Einspeisevergütung nach EEG 2012
liegt tatsächlich etwas höher. Der elektrische Wirkungsgrad beim BHKW wird
gemäß Datenblatt von Spanner Re2 mit 0,29 angesetzt.
o
Anfahrkosten
o
Anfahrkosten sind notwendig, um das Takten der Anlagen zu bestrafen. Für HSKessel und HS-BHKW wird ein Wert von je 30 EUR/Start angesetzt, damit wird
eine Mindest-Einsatzdauer von je ca. 8 Stunden erzwungen. Der Brennwertkessel kann im Modell bis hinunter auf null modulieren.
Nebenbedingungen:

o
Wärmebilanz: Für jeden Zeitpunkt (Stundenintervall) muss der aus den Lastprofilen generierte Wert durch die Erzeuger abgedeckt werden.
o
Speicherbilanz: Für jeden Zeitpunkt wird die Ladung des Speichers anhand der
Lage- und Entlademengen neu berechnet und gleichzeitig das Einhalten der
Grenzen für die Aufladung (Null und maximale Kapazität) erzwungen.
o
Technische Grenzen: Die Mindest- und Höchstleitung der Wärmeerzeuger müssen eingehalten werden, wenn sie in Betrieb sind. Die Mindestleitung wird beim
HS-Kessel und beim HS-BHKW mit jeweils 50% des Maximalwertes vorgegeben.
Ist die Anlage nicht in Betrieb, ist der Höchstwert Null, zum Generieren der Hilfsvariablen für das Anschalten einer Anlage.
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9.5.2 Verwendete Software
Die Optimierungsrechnungen werden mit der der Software GAMS/CPLEX durchgeführt.
GAMS ist ein in der Energiewirtschaft verbreitetes und bewährtes Algebraisches Modellierungssystem, das den Solver CPLEX aufruft, der in der Lage ist, solch große und komplizierte Problem sicher und effektiv zu lösen, siehe Anhang A7-3. Das Arbeitsblatt von GAMS ist
in Anhang 4-4b abgedruckt.
9.5.3 Durchführung der Variantenrechnungen
Durch Variantenrechnung werden die Leistungsgrößen der Einspeiser (Wärmeerzeuger und
Wärmespeicher) ermittelt, wobei für jede Variante eine vollständige Einsatzoptimierung aller
Einspeiser für ein ganzes Jahr durchgeführt wird. Dafür wird mit einer Verfügbarkeit des Biogas-BHKW wie in Kapitel 4 konservativ mit 90% gerechnet. Diese Einschränkung wird durch
willkürliches Abschalten zu den folgenden Zeiten simuliert:

3 Tage im Sommer: Tage Nr. 181 bis 184

1 Woche im Winter (7 Tage): Tage Nr. 41 bis 47

2 Wochen im Lenz (13 Tage): Tage Nr. 81 bis 93

2 Wochen im Herbst (13 Tage): Tage Nr. 271 bis 283
Regelmäßige Wartungszyklen werden diesen Zeiträumen pauschal zugeordnet.
Es wurden insgesamt 144 Varianten gerechnet, die sich aus der Kombination der unten stehenden Anlagengröße ergeben:

Größen des Wärmespeichers (nutzbarer Wärmeinhalt):
150 kWh, 350 kWh, 550 kWh und 750 kWh

Größen des Holzgas BHKW:
elektrische Leistung 0, 30 kW und 45 kW

Solarthermiegrößen:
Kollektor-Fläche 0 m² und 75 m².

Leistung 0, 450 kW, 500 kW, 550 kW, 600 kW und 650 kW
9.5.4 Ergebnisse
Für jede Variante wurden in Tabellenform ermittelt:


Jährliche Brennstoffkosten

Erlöse aus der Stromlieferung BHKW

Einsatzzeiten und Startvorgängen von BHKW und HS-Kessel
Die erzielten Ergebnisse sind den Anhängen A4-2 und A4-3 dargestellt.
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9.5.5 Optimierung der Anlagengrößen
Für die Optimierung der Anlagengrößen werden die Ausgangsdaten und das Vorgehen von
Kapitel 4 weitestgehend verwendet. Dafür sind neben den Ergebnissen „Ko-Ver“ = ( K B  E )
der Variantenrechnungen von 9.5.3 (Zahlenwerte in A4-3) auch die größenabhängigen Anteile der Investitionskosten I0 der jeweils betrachteten Anlage mit einzubeziehen, Zielfunktion
bilden somit die variablen Jahreskosten Ka.
K a = I0  a  K B  E
Der Annuitätsfaktor a wird gemäß den Angaben von Absatz 4.1 ermittelt, die Brennstoffkosten KB und die Stromerlöse E werden den Angaben aus Tabelle Anhang A4-1.
Mit den Ergebnissen der einzelnen Varianten als Stützwerte können parabolische Verläufe
K a = b0  b1  x  b 2  x 2
für die variablen Jahreskosten Ka in Abhängigkeit der Anlagengröße x gebildet werden.
Bei konvexem Funktionsverlauf ergibt sich ein Minimum bei
x opt =
b1
2  b2
Ausgangspunkt ist jeweils die Standardvariante V3323 aus A4-3:

Größe des Wärmespeichers (nutzbarer Wärmeinhalt): 550 kWh

Größe des Holzgas BHKW: elektrische Leistung 45 kW

Solarthermiegröße: Kollektor-Fläche 75 m²

Größe des Hackgutkessels: Leistung 500 kW
Davon ausgehend werden die Leistungs-Größen dieser 4 verschiedenen Anlagen variiert.
Bei der Solarthermie führt der Vergleich der Varianten V3313 und V3323 zu einer Differenz
der Größe „Ko-Ver“ = ( K B  E ) von 447 EUR/a, diese ist eine Zehnerpotenz niedriger als die
kapitalgebundenen Kosten I 0  a von ca. 3000 EUR. Gegenüber den sonst üblichen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen fällt hier der Vergleich so schlecht für die Solarthermie aus, da
sie (wegen der obigen Annahme) das BHKW aus der Grundlast verdrängt und damit Stromgutschriften vermeidet.
Für die Optimierung des HS-Kessel werden die Varianten V3311 bis V3316 ausgewertet.
Die Investitionskosten I0 werden abhängig von der Leistungsgröße QP in kW gemäß Kapitel 4
so gebildet:
I 0  213700 EUR  240 EUR  QP
Die Koeffizienten b der Approximation der Jahreskosten Ka werden mit Hilfe der Ausgleichrechnung gebildet und ergeben sich zu
b1 = -84,95 EUR/MW und
b2 = 97,01 EUR/MW².
Damit ergibt sich die optimale Leistungsgröße zu QP, opt = 0,4378 MWh = 437,8 kW.
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Für die Optimierung des Wärmespeichers werden die Varianten V1323, V2323, V3323 und
V4323 ausgewertet.
Für die Investitionskosten I0 werden für jeden m³ 1000 EUR angesetzt, und mit einer Temperaturdifferenz zwischen Laden und Entladen von 20 K ergeben sich Koeffizienten b für die
Approximation der Jahreskosten Ka als Funktion des Speicherinhaltes x = QSp mit Hilfe der
Ausgleichrechnung zu
b1 = -5,172 EUR/MWh und
b2 = 4,300 EUR/MWh².
Damit ergibt sich die optimale Leistungsgröße zu QSp, opt = 0,6014 MW = 601,4 kWh.
Für die Optimierung des HS-BHKW werden die Varianten V3123, V3223 und V3323 ausgewertet.
Die kontinuierliche Optimierung ist hier nicht sinnvoll, da am Markt eingeführte Anlagen nur
in bestimmten Leitungsgrößen erhältlich sind.
Die Investitionskosten I0 werden abhängig von der Leistungsgröße Pel in kW mit dem Stützpunkt I0(45 kW) = 230000 EUR aus Kapitel 4 so gebildet:
I 0  50000 EUR  4000 EUR  Pel
Damit ergeben sich für die variablen Jahreskosten bei einer normativen Nutzungszeit von 10
Jahren
Ka = 101 146 EUR/a (kein BHKW – Variante V3123),
Ka = 87 831 EUR/a für ein BHKW mit Pel = 30 kW (Variante V3223) und
Ka = 81 226 EUR/a für ein BHKW mit Pel = 45 kW (Variante V3323).
Das größere HS-BHKW ist also besser als das Kleinere, das Kleinere besser als gar keins.
9.5.6 Auswertung der Variantenrechnungen
In den folgenden 4 Diagrammen (Bild 9-10 bis 9-13) sind typische Verläufe zum optimierten
Einsatz der Wärmeerzeuger für je 1 Woche dargestellt, jeweils für die Standardvariante
V3323. Die zu Grunde liegenden Stundenwerte liegen in elektronischer Form vor, siehe Anhang A4-2.
Für alle 4 Diagramme gilt diese Legende:
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800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
24
48
72
96
120
144
168
-100
Bild 9-10: Einsatzplan für die 3. Woche mit durchgehendem Betrieb HS-Kessel und BHKW
(braune und grüne Linie)
@ssmann gruppe
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800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
24
48
72
96
120
144
168
-100
Bild 9-11: Einsatzplan für die 21. Woche mit Intervall-Betrieb HS-Kessel (braune Linie nach
Stunde Nr. 80)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
24
48
72
96
120
144
168
-100
Bild 9-12: Einsatzplan für die 46. Woche mit Aussetzer-Betrieb HS-Kessel (braune Linie nach
Stunde Nr. 50 und 75)
@ssmann gruppe
Seite 135 von 219
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
24
48
72
96
120
144
168
-100
Bild 9-13: Einsatzplan für die 25. Woche mit Aussetzer-Betrieb BHKW (grüne Linie nach
Stunde Nr. 60)
Die Diagramme für die 21. (Bild 9-11) und die 46. Woche (Bild 9-12) zeigen, dass das BHKW
vorzugsweise durchgehend eingesetzt werden soll und bei Notwendigkeit den HS-Kessel
zum Takten zwingt. Die kurzen Aussetzer (nach den Stunden Nr. 50 und 75) des HS-Kessels
in Woche 46 (Bild 9-12) würden bei einem noch größeren Speicher vermieden werden können.
Das Diagramm der 3. Woche (Bild 9-10) zeigt bei einem typischen Winterbetrieb, dass durch
den Speichereinsatz der Spitzenkessel (violette Linie) fast vollständig zurück gedrängt werden kann.
Das Diagramm der 25. Woche (Bild 9-13) zeigt bei einem typischen Sommerbetrieb, wie die
Solarenergie (hellblaue Linie) bei den zu Grunde gelegten Modellbedingungen (Solarenergie
wird so weit wie möglich verwendet) das BHKW (grüne Linie) zurückdrängt und zum Takten
zwingt (Stunde 60).
Mit den gegenwärtigen Brennstoffpreisen und Förderbedingungen ist bei eintretender Konkurrenzsituation (besonders im Sommer) jedoch abweichend von der im Rechenmodell angesetzten Präferenz der Solarenergie der Einsatz des BHKW zu bevorzugen, d.h. ggf. muss
dann die Solaranlage abgeschaltet werden.
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9.5.7 Thermische Solarenergie versus BHKW
Wird thermische Solarenergie in ein Wärmeversorgungssystem eingespeist, in das auch Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (hier: BHKW) einspeisen, kommt es im Sommer, wo die
Solarenergie besonders hohe Erträge bringen kann, zur Konkurrenzsituation, da die geförderte Vergütung des KWK-Stroms an die Wärmeabnahme gebunden ist. Dadurch fällt gegenüber den sonst üblichen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen der Vergleich schlecht für die
Solarthermie aus, da entweder

die Solarthermie das BHKW aus der Grundlast verdrängt und damit Stromgutschriften vermeidet (bei Annahme wie im Rechenmodell), oder

das BHKW die Solarthermie verdrängt (wie wirtschaftlich sinnvoll).
Wird gemäß zweitem Anstrich (als Variante im Rechen-Modell) die Solarenergie nur nach
wirtschaftlichen Gesichtspunkten verwendet, ergeben sich je nach Variante die Erträge
Q_Solar der folgenden Tabelle 9-2.
Var-Nr.
V3121
V3123
V3221
V3223
V3321
V3323
V3313
BHKW
kWel
0
0
30
30
45
45
45
HSK
kW
0
500
0
500
0
500
500
Q_Solar
MWh/a
41,4
40,0
32,2
29,9
25,4
24,7
0
Ko-Ver
T EUR
55,223
55,990
Tab. 9-2: Reduzierung des Solarertrages
Die Werte der Zeile Q_Solar für den jährlichen Solarertrag zeigen, dass er sich beim kleinen
BHKW auf ca. 75% und beim großen BHKW auf ca. 62% reduziert. Die Werte der Zeile
„Ko-Ver“ für die variablen Betriebskosten ergeben eine Einsparung von nun 767 EUR, immer
noch zu gering, um mit den kapitalgebundenen Kosten konkurrieren zu können.
Mit den gegenwärtigen Brennstoffpreisen und Förderbedingungen ist der gleichzeitige Einsatz von thermischer Solarenergie und BHKW wirtschaftlich nicht darstellbar, da bei der
dann eintretenden Konkurrenzsituation besonders im Sommer sich die Anlagen gegenseitig
aus der Grundlast verdrängen.
Die vorliegende Kosten-Struktur muss aber in Zukunft nicht immer so bleiben. Die Förderung
für KWK und alternative Brennstoffe wird wohl mittel- und langfristig zurückgehen, der Wert
und damit der Preis auch für nachwachsende Rohstoffe werden mit zunehmendem Einsatz
der regenerativen Energiequellen steigen.
Die Solarenergie steht aber auch zukünftig als kostenloser „Brennstoff“ zur Verfügung. In
einem Modellprojekt ist es deshalb mit Blick in die Zukunft vertretbar, thermische Solarenergie mit einem kleinen Anteil (bei der Standardvariante weniger als 6% der KWK-Wärme und
weniger als 1,5% des gesamten Wärmebedarfes) neben der KWK-Wärmeeinspeisung mit
vorzusehen.
Die Signalwirkung auf gegenwärtige Planungen sollte aber so sein: Ermutigung zum Einsatz
regenerativer Energiequellen für die Wärmeversorgung, entweder Solarthermie oder KWK.
@ssmann gruppe
Seite 137 von 219
9.6 Zusammenfassung zu Kapitel 9
Es wurde im Absatz 9.4 die Optimierung des Nahwärmenetzes beispielhaft dargestellt (Bearbeitungsstand von [9-1]).
Im Absatz 9.3 wurden Brennstoffbilanzen aufgestellt mit vereinfachter Modellierung des
Wärmespeichers, um in einer ersten Arbeitsetappe die möglichen Anlagenkonfigurationen
einzugrenzen. Im Absatz 9.5 wurden diese Brennstoffbilanzen noch einmal, sowie zusätzlich
die variablen Jahreskosten ermittelt mit optimalem Erzeuger- und Speichereinsatz, um die
Optimierung der Anlagengrößen zu ermöglichen.
Die ermittelten optimalen Anlagengrößen ergeben sich zu:
Solarthermie
0 (keine), 75 m² Kollektorfläche geringfügig teurer
HS-BHKW
45 kW Nennleistung elektrisch
HS-Kessel
437 kW Nennleistung
Wärmespeicher
601 kWh nutzbare Kapazität
Dieser Wärmekapazität entspricht bei einer Temperaturspreizung von 20 K ein nutzbares
Netto-Volumen von 25,8 m³.
Damit werden, mit Ausnahme der Solarthermie, die Anlagengrößen aus Kapitel 4 bestätigt.
Die Varianten mit Solarthermie ergeben ca. 2 T EUR höhere Jahreskosten als die entsprechenden ohne Solarthermie, eine vergleichsweise geringe Differenz gegenüber der Gesamtsumme.
Mit den gegenwärtigen Brennstoffpreisen und Förderbedingungen ist der gleichzeitige Einsatz von thermischer Solarenergie und BHKW wirtschaftlich nicht darstellbar, da bei der
dann eintretenden Konkurrenzsituation besonders im Sommer sich die Anlagen gegenseitig
aus der Grundlast verdrängen.
Mit Blick auf die Zukunft (siehe 9.5.7) lässt sich ein kleinerer Anteil an solarthermischer
Wärmeeinspeisung neben einem BHKW aber rechtfertigen.
Die Auswertung der Verläufe in 9.5.6 ergibt diese Einsatzreihenfolge, Vorrang hat die jeweils
zuerst aufgeführte Anlage:




HS-BHKW
Solarthermie
HS-Kessel
Brennwertkessel
Das BHKW rückt an die erste Stelle, da mit der geförderten Einspeisevergütung ein de facto
„negativer“ Wärmepreis entsteht, wenn diese Vergütung gegengerechnet wird.
Der Wärmespeicher muss dabei so an den prognostizierten Bedarf angepasst werden, dass
die 3 erstgenannten Anlagen möglichst ausgelastet werden. Dies ist für die tägliche Einsatzplanung ein schwieriges Optimierungsproblem, das eine intelligente Steuerung der Anlagen
erfordert.
@ssmann gruppe
Seite 138 von 219
9.7 Quellen zu Kapitel 9
[9-1]
Niedrigenergie-Quartiersentwicklung mit innovativer Nahwärmeversorgung
SCHLUSSBERICHT TEIL 1, Berichtsstand Juni 2012
[9-2]
Lastprofile Gas der TU München
http://www.stadtwerkeschkeuditz.de/download/Netzzugang/Erdgas/PraxisinformationP2007_13_SLP_Gas.pdf
[9-3]
Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse
www.dwd.de/TRY
[9-4]
LowEX-Fernwärme – MULTILEVEL DISTRICT HEATING
Forschungsbericht TU Dresden 2009
Teilthema 5: Software zur Verbesserung der Einsatzchancen von Fernwärmesystemen
Finanzierung: BMWi, FKZ: 0327400B
[9-5]
ShapeUp: A free Windows desktop GIS application.
www.nilione.com
[9-6]
The General Algebraic Modeling System.
www.gams.com
@ssmann gruppe
Seite 139 von 219
10.
Beschreibung der ausgewählten Lösung (Knecht-Ingenieure, Ebert-Ingenieure,
Hochschule Biberach, @ssmann gruppe)
10.1 Zusammenfassung der Analysen und Ergebnisse aus Kap. 4 bis 9, Begründung
der letztendlichen Konzeptauswahl
Die technisch-wirtschaftliche Bewertung im Kapitel 4 ergab eine komplexe Bewertungsmatrix, in der alle Alternativen nach gewichteten „harten“ und „weichen“ Kriterien bewertet wurden. Als besonders Wichtig (Wichtungsmultiplikator 6) waren dabei die in mittleren Jahresvollkosten ausgedrückte monetäre Wirtschaftlichkeit und die Eignung für Contracting. Gleich
darauf folgten mit Wichtungsmultiplikator 5 die Umweltfreundlichkeit und der Vorbilds- und
Innovationscharakter einer Lösung. Als etwas weniger wichtig mit Multiplikator 3 bzw. 4 galten Vermittelbarkeit des Konzeptes und Multiplikationsfähigkeit. Die niedrigsten Wichtungsmultiplikatoren erhielten die Kriterien Investitionskosten, ausgereifte Technik, regionale
Wertschöpfung und verursachtes Verkehrsaufkommen. Im Folgenden wird die Bewertung
noch einmal dargestellt.
Bewertung
5 Punkte: 1. Platz
Investitionskosten*
Jahr 1-10*
Ausstrahlung
Verkehrsaufkommen
Rangfolge
Wichtungsfaktor
Var. 0
G-K
Var. 1
H-K +
G-K +
Solarth.
Var. 2
H-K +
G-K +
G-KWK
Var. 3
H-K +
G-K +
H-KWK
Var. 4
H-K +
G-K +
H-KWK +
Solarth.
1
6
5
2
6
5
4
3
2
2
5
1
1
5
5
1
1
1
1
5
80
5
3
2
3
4
3
3
3
4
3
4
109
4
1
3
4
3
4
2
2
5
2
4
114
3
4
5
5
2
1
4
5
3
5
2
132
2
2
5
5
1
1
5
5
3
5
2
133
1
@ssmann gruppe
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Als Ergebnis der technisch-wirtschaftlichen Bewertung wurde festgehalten: Unter Berücksichtig der Projektzielsetzungen wäre in einem PTJ-Folgeprojekt zur Variante 3 oder 4 zu
raten. Ohne PTJ-Förderung und ohne Ansprüche an Innovationskraft zeigt sich Variante 2
als wirtschaftliche und vergleichsweise risikolose Lösung mit noch guten Ökobilanzwerten.
Von Seiten der KEA Baden Württemberg, welche in Kapitel 5 eine Vorabeinschätzung der
Konzepte hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für eine Contractinglösung untersuchte, wurde folgende zusammenfassende Einschätzung abgegeben: Die Varianten 1 und 2 könnten problemlos im Einspar- wie auch im Energieliefercontracting umgesetzt werden. Die Varianten 3
und 4 erfordern eine gemeinsame „Lernphase“, um die Risiken kalkulierbar und zuordenbar
vertraglich auszugestalten. Eine solche Vorgehensweise könnte ein „Türöffner“ für die Technologie Holz-KWK in kleinen Leistungsklassen sein.
Im Gespräch mit möglichen Contractoren unter Teilnahme von Forstamtsdirektor Beck wurden mögliche Vertragsgestaltungen und Contractingmodelle hinsichtlich ihrer Sinnhaftigkeit
und Umsetzbarkeit diskutiert (Kapitel 6). Ein Kernergebnis war, dass die Biomasseversorgung der Bürgerheim-Energiezentrale komplett mit Holz aus Hospital-eigenen Wäldern erfolgen könnte. Aufbereitung und ggfs. Trocknung von Hackschnitzeln würden von externen
Firmen übernommen. Prinzipiell könnte eine Gliederung in zwei Contractingvertrags(teile)
sinnvoll sein. Ein eher standardisierter Vertrag für die Hackschnitzelheizung mit GasPeakload und ein spezieller Vertrag für die Holz-KWK. Welchem Vertragsteil die
Solarthermie und der Pufferspeicher zuzuordnen sind, wäre zu klären. Weiterhin wäre die
Finanzierung und Eigentumsstruktur aller Komponenten der Energiezentrale zu klären. Dabei sind zu beachten: Die EEG Umlage, von 5 Ct/kWh, die beim Verkauf von Strom anfällt
und die BMWi-Modellprojektförderung, die sich auf vom Zuwendungsempfänger getätigte
Investitionen mit Innovationscharakter bezieht. Eine „Lernphase“ für die Gestaltung eines
langfristigen Holz-KWK-Vertrages wurde allseitig für sinnvoll gehalten.
Eine exergetische Analyse der Hochschule Biberach in Kapitel 7 erbrachte grundsätzlich
dieselbe Reihenfolge in der Bewertung der Alternativen, wie die energetische Bewertung in
Kapitel 4. Weiterhin wurde folgendes Fazit gezogen:
- Exergetisch macht es Sinn, geeignete Dachflächen auf dem Areal möglichst weitgehend
solar zu nutzen. Beiträge zur Wärmeversorgung sollten dabei über Vakuumröhrenkollektoren erfolgen, um hohe Temperaturen zu erreichen.
- Eine Kraft-Wärme-Kopplung mit dem Energieträger Holz erweist sich als exergetisch sehr
sinnvoll.
- Eine Ergänzung der regenerativen Energieversorgung mit Holz (in KWK) durch
Solarthermie führt zwar zunächst zu wirtschaftlicher Konkurrenz, erweist sich aufgrund der
kompementären Eigenschaften jedoch als sinnvoll: Während Solarenergie stets im Moment
des Angebots genutzt oder zumindest aktiv gespeichert werden muss, ist Holz per se ein
„Energiespeicher“ der eine saisonal unabhängige Gewinnung und Nutzung ermöglicht.
- Eine zukünftige regenerative Vollversorgung wird daher vermutlich in einer Kombination
beider Energieträger stattfinden. Das Modellprojekt Bürgerheim Biberach kann diesbezüglich als Schritt in die Zukunft gesehen werden.
Untersuchungen zum Standort der neuen Energiezentrale in Kapitel 8 erbrachten folgendes
Fazit: Von der Darstellbarkeit des Projektes her wäre es günstig, wenn die Bürgerheim-Heizzentrale, auf dem Areal oder in der Nähe des Areals liegt. Ein an das Areal angrenzender
@ssmann gruppe
Seite 141 von 219
Standort, z.B. straßenangrenzend jenseits an der Rollinstraße, Mühlweg, Königsbergallee,
oder Waldseer Straße wäre durchaus vertretbar. Ein Standort außer Sichtweite dürfte sich
auf die Projektwirkung abträglich auswirken, da der unmittelbare Zusammenhang Erzeugung
– Verbrauch nicht mehr wahrgenommen wird. Das Projektteam empfiehlt eine Realisierung
der Heizzentrale auf oder angrenzend zum Bürgerheim-Areal bis zu einer MaximalEntfernung von etwa 200 m Trassenlänge. Sollten nutzungsspezifische oder andere Gründe
jedoch den Ausschlag für eine Modernisierung der Heizzentrale Memelstraße der e.wa riss
geben, dann ist auch diese Lösung möglich.
In Kapitel 9 wurden von der TU-Dresden neben einer Durchmesseroptimierung der Wärmeleitung vor allem Brennstoffbilanzen ermittelt und die einzelnen Komponenten der Energiezentrale über Modellrechnungen optimal dimensioniert.
Die ermittelten optimalen Anlagengrößen ergeben sich zu:
Solarthermie
HS-BHKW
HS-Kessel
437 kW Nennleistung
Wärmespeicher
601 kWh nutzbare Kapazität = 25,8 m3 Speicherinhalt.
Die Varianten mit Solarthermie ergeben ca. 2 T EUR höhere Jahreskosten als die entsprechenden ohne Solarthermie, eine vergleichsweise geringe Differenz gegenüber der Gesamtsumme.
Mit den gegenwärtigen Brennstoffpreisen und Förderbedingungen ist der gleichzeitige Einsatz von thermischer Solarenergie und BHKW wirtschaftlich nicht vorteilhaft, da bei der dann
eintretenden Konkurrenzsituation besonders im Sommer sich die Anlagen gegenseitig aus
der Grundlast verdrängen. Mit Blick auf die Zukunft (siehe Exergieanalysen) lässt sich ein
kleinerer Anteil an solarthermischer Wärmeeinspeisung neben einem BHKW aber rechtfertigen. Die Auswertung der Verläufe in Kapitel 9.5.6 ergibt diese Einsatzreihenfolge, Vorrang
hat die jeweils zuerst aufgeführte Anlage:




HS-BHKW
Solarthermie
HS-Kessel
Brennwertkessel
„negativer“ Wärmepreis entsteht, wenn diese Vergütung gegengerechnet wird. Die Solarthermieerträge reduzieren sich dadurch auf 62 % des technisch Möglichen. Mit steigenden
Biomasse-Brennstoffpreisen kann zukünftig der Fall eintreten, dass die Solarthermie an die
erste Stelle der Einsatzreihenfolge rückt.
@ssmann gruppe
Seite 142 von 219
10.2 Detaillierte Beschreibung der gewählten Lösung (Knecht Ingenieure, Ebert Ingenieure)
Die Simulationen der TUD haben ergeben, dass beim Einsatz des 45 kWel Holzvergasers
die solarthermische Anlage unter Verzicht auf maximalen Solarertrag auf 75 m2 dimensioniert werden kann, ohne dass die Laufzeiten und somit die Wirtschaftlichkeit des HolzBHKWs beeinträchtigt wäre. 75 m² Solarthermie sind auf dem Dach der Heizzentrale gut
unterzubringen und wurden als bevorzugte Größe gewählt.
Vakuumröhrenkollektoren bringen im Vergleich zu Flachkollektoren oder normalen Röhrenkollektoren höhere Vorlauftemperaturen. Diese hohen Temperaturen können direkt ins Netz
eingespeist werden. Flachkollektoren bringen im Schnitt niedrigere Temperaturen. Bei einem
Netzrücklauf von z.B. 45 °C muss die Vorlauftemperatur der solarthermischen Anlage über
diesen 45 °C liegen um überhaupt zur Wärmelieferung beitragen zu können. Dem Nahwärmenetz und den Solarkollektoren ist ein Wärmetauscher zwischengeschaltet, damit das Glykol-Wasser Gemisch, welches im Winter in den Kollektoren nötig ist, vom Nahwärmenetz
getrennt ist. Liegt die Vorlauftemperatur der Solarkollektoren niedriger als die nötige Netzvorlauftemperatur, so wird diese auf die Temperatur heruntergemischt, die in der Mitte des Puffers herrscht und dort eingeschichtet. Durch die geplante Rücklaufauskühlung des Nahwärmenetzes wird die Ausnutzung der bereitstehenden Solarwärme erhöht.
Die Regelung der Wärmeerzeuger und die hydraulische Einbindung ermöglicht dem Hackschnitzelkessel, dem Holzgas-BHKW und der Solarthermie das Laden des Pufferspeichers.
Der Gaskessel soll nur als Redundanz und als Spitzenlastkessel dienen und wird nur freigegeben, wenn die Vorlauftemperatur im Netz unter der Sollwerttemperatur liegt. Ein Aufladen
des Pufferspeichers durch den Gaskessel wird verhindert. Das Puffervolumen von 27 m³
verringert die Takthäufigkeit des BHKWs und des Hackgutkessels.
Zur Übersichtlichkeit werden die Komponenten der Heizzentrale im Folgenden stichpunktartig in ihrer Gesamtheit ausgelistet:
Hackgutkessel 500 kW
 Schubbodenaustragung
 Schaltschrank
 Automatische Rücklaufanhebung
 Sicherheitstemperaturbegrenzer
 Entaschung in 250 l Metallcontainer
 Multizyklon mit Staubaustragung und Staubcontainer
 Elektrofilter mit Staubaustragung und Staubcontainer
Pufferspeicher
 27.000 l
 Einströmdüsen zur sauberen Schichtung
Holzgas-BHKW
 45 kW elektrisch, 105 kW thermisch
 Unterbringung in abgetrenntem Raum
 Schleusensystem für Holzzufuhr
@ssmann gruppe
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





Holzgasgewinner
Holzgaskühler
Kompressor
Generator
Schaltschrank
Lüftung mit Schalldämpfer (opt. Aktivkohlefilter)
Hackschnitzelbunker für W 15 Material
 70 m³
 Gelenkarmaustragung
 Steilförderschnecken
Hackschnitzelbunker für W 35 Material
 170 m³
 Schubbodenaustragung
 Querförderer
Solarthermie
 75 m²
 Vakuumröhrenkollektor
 Systemtrennung (Wasser/Glykol Gemisch)
 Steuermodul
Netzpumpen
 2 Stück
 Hocheffizienzpumpen
 Trockenläufersystem
Spitzenlastgaskessel 1.400 kW
Kaminanlage, Höhe: 20 m bzw. 13 m
Mess- Steuer und Regelungstechnik
Nahwärmeleitung
Hausanschlüsse an Verteiler und Trinkwasserbereitung
Gebäude Heizzentrale, z.B. 12 x 20 m, zweigeschossig
@ssmann gruppe
Seite 144 von 219
11. Gesamtbilanzen - Klimaneutrales Heizen für ausgewählte Variante? (@ssmann
gruppe)
Eine Analyse der vorhandenen bzw. im „Auslegungszeitschnitt“ 2020 verfügbaren Dachflächen, die aufgrund Orientierung und Verschattungssituation für Photovoltaik geeignet wären,
erbrachte Flächenpotenziale nach Tabelle 11-2.
Geb.
Dachtyp
Dachneigung
PV-FlächenPotential in m²
Quelle
1
2x Flachdach
0°
384
Techn. Zeichnungen
2
Pultdach
15°
154
Techn. Zeichnungen
3
Pultdach
15°
216
Techn. Zeichnungen
5
Satteldach
Halbrunddach
30°
12°
135
Ing. Büro Keßler & Hürle
6
Satteldach
30°
154
Techn. Zeichnungen
9
Flachdach
0°
708
Techn. Zeichnungen
10
Flachdach
0°
657
11
Flachdach
0°
845
eigene Mengenermittlung
13
Flachdach
0°
547
14
Flachdach
0°
547
17
Flachdach
0°
504
Techn. Zeichnungen M+P Mann + Partner
PV-Flächen-Potential Dach in m²
4850
Tab. 11-1: PV-Flächen-Potenzial auf dem Areal
Bild 11-1: Zukünftiges PV- Flächen-Potenzial
auf den Dächer des Areal
@ssmann gruppe
Seite 145 von 219
Die durch die Beheizung des Bürgerheims entstehenden CO2 Emissionen (jeweils abzüglich
Stromgutschrift bei den KWK-Lösungen sind in Tabelle 11-2 dargestellt (siehe auch Bild 4-9),
ebenso wie die zur CO2-neutralen Wärmeversorgung notwendigen PV-Flächen.
CO2-Emissionen unter
Berücksichtigung
Stromgutschriften
Referenzvariante
Gaskessel
Var. 1: Hackschnitzelheizung,
Gaskessel und Solarthermie
Gaskessel und Gas-BHKW
Gaskessel und Holz-BHKW
Gaskessel, Holz-BHKW und
Solarthermie
Notwendige PV-Fläche für
Nullbilanz bei Solarertrag
120 kWh/m2a und CO2 Emissionen deutscher
Strommix: 633 g/kWh
Tonnen/a
732,5
m2 PV-Fläche
9.644
254,9
3.356
168,5
2.219
40,0
527
33,7
443
Tabelle 11-2: Erforderliche PV-Fläche für CO2-neutrale Wärmeversorgung des Bürgerheimareals
Für die präferierten Varianten 3 und 4 wäre eine PV-Fläche im Bereich von ca. 443 - 527
m2 erforderlich. Berücksichtigt man die bereits existierende PV-Fläche auf Gebäude 9 von
170 m2, so summiert sich die zusätzlich erforderliche Fläche auf 273 – 357 m2.
Bei einem konservativ angesetzten Einheitspreis von 400 € pro m2 PV-Fläche für die jeweilige Gesamtanlage ergibt sich eine Gesamt-Investition von 109.000 – 143.000 €. Im Rahmen der EEG-Förderung kann diese Investition sich langfristig amortisieren. Die genaue
Wirtschaftlichkeit hängt vom Anteil Selbstnutzung und Einspeisung des erzeugten Stroms
ab sowie den aktuellen Förderkonditionen zum Zeitpunkt der Antragstellung oder Inbetriebnahme
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12. Weiterführung Messungen und Verbrauchsdatenauswertungen (Hochschule Biberach)
12.1 Gesamtmessprogramm
Begleitend zur Konzeptentwicklung für die Wärmeversorgung des Bürgerheimareals fanden
im Projektzeitraum Messungen zur Wärmeabgabe der Kesselanlage ins Wärmenetz sowie
Messungen zum Raumklima und eine weiterführende Verbrauchsdatenauswertung monatlich stattfindender Zählerablesungen im Gebäude 9 statt.
12.2 Wärmemengenmessungen
Im Projektzeitraum wurde die von der Kesselanlage abgegebene und in das Wärmenetz eingespeiste Gesamt-Wärmemenge von Februar 2012 bis Projektende erfasst. Diese Messung
wurde zunächst mit einer mobilen Messeinrichtung der Hochschule Biberach (HBC) begonnen. Auf Empfehlung der HBC wurde vom Bürgerheim ein fest eingebauter Wärmezähler
nachgerüstet, mit dem diese Messung ab Ende November 2012 weitergeführt wurde. Die
Datenerfassung erfolgte dabei über die M-Busschnittstelle des Zählwerks. Der neu eingebaute Zähler wurde darüber hinaus in die manuelle monatliche Ablesung durch das Betriebspersonal aufgenommen, sodass jetzt auch dort die gesamte von der zentralen Erzeugung in das Nahwärmenetz eingespeiste Wärme regelmäßig erfasst wird und für eine betreibereigene Auswertung zur Verfügung steht.
Neben der Bestimmung des Jahresnutzungsgrades der Kesselanlage für die rückwirkende
Bewertung der Gasverbrauchswerte im Rahmen der Quartiersbilanzierung (vgl. Schlussbericht Teil 1) lag ein Interesse auf einer Auswertung zu den tatsächlich auftretenden Vor- und
Rücklauftemperaturen der Wärmeversorgung. Das Diagramm in Bild 12-1 zeigt für einen
Messzeitraum beispielhaft eine Auswertung der über der Außentemperatur aufgetragenen
Vor- und Rücklauftemperaturen der zentralen Kesselanlage.
Heizkreistemperaturen im Nahwärmenetz (Tageswerte)
110
Maximale Vorlauftemperatur
Mitteler Vorlauftemperatur
Mittlere Rüchlauftemperatur
100
Minimale Rücklauftemperatur
Temperatur [°C]
90
80
70
60
50
-15,00
-10,00
-5,00
0,00
5,00
10,00
15,00
Außentemperatur [°C]
Bild 12-1: Über der Außentemperatur aufgetragene Vor- und Rücklauftemperaturen der zentralen Kesselanlage – Messung vom 10.02.2012 bis 02.04.2012
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Die in Bild 12-1 dargestellte Auswertung beinhaltet eine Differenzierung nach Tageswerten
der maximalen und mittleren Vorlauftemperaturen sowie der minimalen und mittleren Rücklauftemperaturen. Das Ergebnis dieser Auswertung führte zu der Annahme eines Temperaturniveaus von 90 °C für die Bewertung der thermischen Exergie im Verteilnetz.
12.3 Messungen zum Raumklima
Begleitend zur Nutzerumfrage fanden im Zeitraum von Oktober 2012 bis Januar 2013 Messungen zum Raumklima in Gebäude 2 (AWH), Gebäude 3 (BAW), Gebäude 7 (H2) und Gebäude 9 (ILW) statt (Bild 12-2).
Bild 12-2: Lageplan mit Bezeichnung der relevanten Gebäude
Die Messungen erfolgten ausschließlich in den öffentlichen Aufenthaltsbereichen der Gebäude. Auf Messungen im privaten Bereich der Bewohnerzimmer und -wohnungen wurde im
Rahmen dieser Messkampagne verzichtet. Der Fokus der Messungen lag auf den Gebäuden
7 und 9, da sich hier vom Betreuungskonzept her die Wohnnutzung über die Zimmer hinaus
auch über die Flure, Aufenthaltsbereiche und -zimmer und die Gemeinschaftsküchen mit
Speiseraum erstreckt. Dies gilt insbesondere für Gebäude 9. In Gebäude 2 befindet sich im
1. OG ein offener Aufenthaltsbereich, der mit den angrenzenden Fluren entsprechend der
Nutzung als Raum der Begegnung beheizt wird. In Gebäude 3 sind die einzelnen Wohnapartments über geringer beheizte Flure ohne Aufenthaltsbereiche nur erschlossen. Die
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Messung hier ergab in diesen reinen Erschließungsbereichen eine mittlere Raumlufttemperatur von 16,4 °C.
In Gebäude 2 wurde die Raumlufttemperatur im Aufenthaltsbereich im 1. Obergeschoss an
einer Position mit einem Erfassungsgerät mit vier Temperaturfühlern gemessen.
24
22
Gebäude 2 - 1. OG - Aufenthalt
20
18
16
14
Temperatur [°C]
12
10
8
Innentemperatur T1
Innentemperatur T2
Innentemperatur T3
Innentemperatur T4
Innentemperatur Mittelwert
Außentemperatur
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
Datum / Zeit
Bild 12-3: Raumluftmessung Gebäude 2 im offenen Aufenthaltsbereich 1.OG
An den Temperaturverläufen im Diagramm Bild 12-3 ist als Auffälligkeit ein Auseinanderdriften der Einzelmessungen im Zeitraum vom 25.01.2013 bis 29.01.2013 zu erkennen. Die Ursache hierfür liegt darin, dass sich das Erfassungsgerät mit den Temperaturfühlern aus der
Befestigung gelöst hatte, vom Personal beiseitegelegt und erst später wieder befestigt wurde. Die mittlere Raumlufttemperatur in den als gültig befundenen Messzeiträumen ergab sich
zu 20,4 °C. Neben dem Verlauf der Raumlufttemperatur ist im Diagramm auch der Verlauf
der Außentemperatur dargestellt, wie er an der Wetterstation der nahen Hochschule gemessen wurde.
In Gebäude 7 erfolgte eine Messung im 2. Obergeschoss am nördlichen Ende des Flurs.
Hier befindet sich eine Sitzgelegenheit für den Aufenthalt. Eine zweite Messung wurde im
südlichen Aufenthaltsraum desselben Geschosses durchgeführt. Das Messgerät auf der
Nordseite wurde n. A. des Personals von einer Bewohnerin abgenommen und beim Ausleseund Kontrolltermin auf der Fensterbank des Flurfensters vorgefunden. Der Nutzereingriff ist
im Diagramm Bild 12-4 entsprechend wieder durch das Auseinanderdriften der vier Temperaturwerte zu erkennen. Es wurde dasselbe Messgerät wie bei der Messung in Gebäude 2
verwendet. Auffallend ist eine längere Lüftungspause vom 24.11.2012 Abend (ca. 21:00 Uhr)
bis in die frühen Morgenstunden des 25.11.2012 (ca. 04:00 Uhr). Als mittlere Raumlufttemperatur im nördlichen Bereich des Flurs wurden nach Auswertung der als gültig befunden
Messzeiträume 20,3°C ermittelt. Bei den Begehungen wurde dieser nördliche Flurbereich als
@ssmann gruppe
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Temperatur [°C]
deutlich kühler empfunden als der weiter südliche Flurbereich und der südliche Aufenthaltsraum.
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
Gebäude 7 - 2. OG - Flur - Nord
Innentemperatur T1
Innentemperatur T2
Innentemperatur T3
Innentemperatur T4
Innentemperatur Mittelwert
Außentemperatur
Datum / Zeit
Temperatur [°C]
Bild 12-4: Raumluftmessung Gebäude 7 Aufenthaltsbereich Nord im Flur 2.OG
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
Gebäude 7 - 2. OG - Raum - Süd
Innentemperatur T1
Außentemperatur
Datum / Zeit
Bild 12-5: Raumluftmessung Gebäude 7 Gemeinschaftsraum Süd 2.OG
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Für den südlichen Gemeinschaftsraum ergab sich im Messzeitraum eine mittlere Raumlufttemperatur von 22,3°C. Die Messwerte lagen dabei im Bereich von ca. 19 °C bis ca. 24 °C
(Bild 12-5).
Ein besonderer Schwerpunkt bei den Messungen zum Raumklima lag auf Gebäude 9, das
erst im Jahr 2011 in Betrieb genommen wurde. Auffällig seit Inbetriebnahme sind laut Betriebspersonal anhaltend hohe Raumlufttemperaturen mit einer zeitweise zu geringen Raumluftfeuchte. In Gebäude 9 wurden vier Messungen zum Raumklima durchgeführt. In zwei
Etagen erfolgte je eine Messung im nördlichen wohnzimmerähnlichen Gemeinschaftsraum,
in einer Etage wurde eine Messung im entsprechenden südlichen Gemeinschaftsraum
durchgeführt und eine Messung erfolgte in der Gebäudemitte im Aufenthaltsbereich mit Gemeinschaftsküche und Essensbereich. In der Gebäudemitte und in einem nördlichen Gemeinschaftswohnbereich wurde zusätzlich die relative Luftfeuchte gemessen.
Das folgende Diagramm in Bild 12-6 fasst die Messergebnisse für den nördlichen Gemeinschaftswohnbereich zusammen.
28
100
Gebäude 9 - 2. OG - Raum - Nord
90
22
20
80
Temperatur [°C]
18
16
70
14
12
10
60
8
6
50
4
2
40
0
-2
30
-4
-6
-8
-10
-12
-14
rel. Luftfeuchte [%]
26
24
20
Innentemperatur T1
Außentemperatur
10
rel. Innenfeuchte
-16
0
Datum / Zeit
Bild 12-6: Raumluftmessung Gebäude 9 Gemeinschaftswohnraum Nord 2.OG
Zu erkennen ist, dass die Raumlufttemperatur um einen Mittelwert von 23 °C in einem engen
Bereich (2 K) schwankt. Die mittlere relative Luftfeuchte lag bei 27 % mit einer Schwankungsbreite von ca. 15 % bis ca. 45 % und ist damit als niedrig einzustufen. Die Messung in
der Gebäudemitte mit Kochbereich ergab ein vergleichbares Ergebnis. Die niedrigen gemessenen Raumluftfeuchten spiegeln sich im Ergebnis der Nutzerumfrage dahingehend wider,
dass die Raumluftfeuchte von der Mehrheit der Befragten als tendenziell zu trocken eingestuft wird.
In Bild 12-6 ist zu erkennen, dass der Verlauf der relativen Innenraumfeuchte dem Verlauf
der Außentemperatur unmittelbar folgt. Zu sehen ist, dass bei fallenden Außentemperaturen
die relative Luftfeuchte der Innenraumluft in ähnlicher Weise mit ohnehin dauerhaft niedrigen
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Werten mit abfällt. Damit im Zusammenhang ist die kontrollierte Wohnraumlüftung ohne Befeuchtung und Feuchterückgewinnung zu sehen. Durch die Erwärmung kalter Außenluft mit
einem dadurch niedrigen Wassergehalt auf Zulufttemperatur sinkt die relative Luftfeuchte der
so konditionierten Luft stark ab. Die Folge ist, dass sehr trockene Luft in den Raum zugeführt
wird. In Abhängigkeit vom Luftwechsel und den durch die Nutzung gegebenen Feuchtequellen stellt sich für die Raumluft ein Feuchtegleichgewicht ein. Eine Ursache für die niedrige
relative Raumluftfeuchte kann in einem zu hohen Luftwechsel insbesondere bei niedrigen
Außentemperaturen liegen. Dabei zu beachten ist, dass aus der Sicht der Raumhygiene
aber ein ausreichender Mindestluftwechsel eingehalten werden muss. Für die Betriebsführung von Lüftungsanlagen ohne Befeuchtung und ohne Feuchterückgewinnung liegt hierbei
die Herausforderung darin, einen befriedigenden Kompromiss zwischen einer akzeptablen
Raumluftfeuchte und einen den Anforderungen an die Raumlufthygiene gerecht werdenden
Luftwechsel zu finden.
Die zu den einzelnen Temperaturmessungen zugehörigen Temperaturmittelwerte in Gebäude 9 lagen in einer Bandbreite von 23 °C bis 24 °C und stellen sich damit als für die Heizperiode hoch dar. Die für eine übliche Wohnnutzung angenommenen Raumlufttemperaturen
liegen für einen Neubau in der EnEV 2009 [12-1] bei 19 °C bzw. in der DIN 4108 [12-3] bei
20 °C für die Heizperiode unter Einbeziehung einer gewissen Nachtabsenkung und/oder
etwas niedriger temperierter Bereiche (z. B. Schlafzimmer). Die gemessenen höheren
Raumlufttemperaturen in Gebäude 9 bestätigen das Ergebnis der Nutzerumfrage, demnach
die Mitarbeiter in Gebäude 9 die Raumtemperaturen in allen Situationen als eher zu warm
empfinden.
Als Ergebnis der Messungen zum Raumklima kann festgehalten werden:
 Die in Gebäude 7 (H2) und Gebäude 9 (ILW) gemessenen Raumlufttemperaturen lagen im Mittel je nach Messung zwischen 22 °C und 24 °C. Ein Ergebnis der Nutzerumfrage (Kapitel 14) ist, dass die Bewohner mit den hohen Raumlufttemperaturen in
den beiden Gebäuden tendenziell eher zufrieden sind. Dies bestätigt die Annahme
einer höheren Innenraumtemperatur von 22 °C für die Nutzung im Bürgerheim bzgl.
der thermischen Exergiebewertung (Kapitel 7.1) gegenüber einem üblichen Ansatz
für eine „normale“ Wohnnutzung von 19 °C oder 20 °C.
 Das Ergebnis der Nutzerumfrage, dass die Mitarbeiter von Gebäude 9 (ILW) die
Raumtemperaturen dagegen in allen Situationen als zu warm empfinden, ist angesichts der sich aus den Messungen ergebenden mittleren Raumlufttemperaturen zwischen 23 °C und 24 °C nachvollziehbar.
 Die Messungen zum Raumklima in Gebäude 9 bestätigen das Ergebnis der Nutzerumfrage, nachdem die Luftfeuchte bei den Befragten als tendenziell eher zu trocken
empfunden wird.
 Im Bezug auf die Betriebsführung der Lüftungsanlage in Gebäude 9 sollte überprüft
werden, ob ein zu hoher Gebäudeluftwechsel bei niedrigen Außentemperaturen die
Ursache für eine zu geringe relative Luftfeuchte der Raumluft ist bzw. generell, ob
nicht mit einem geringeren geförderten Luftvolumenstrom die gestellten Anforderungen an die Raumlufthygiene ebenso erfüllt werden können.
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12.4 Stromverbrauchsanalyse zu Gebäude 9
Die Auswertung des Arealstromverbrauchs zur Quartiersbilanzierung hat gezeigt, dass ein
hoher Stromverbrauch in Gebäude 9 besteht. Für den Jahreszeitraum von Mai 2011 bis Mai
2012 ergab sich ein Stromverbrauchskennwert für den Gesamtstromverbrauch von
96 kWh/(m²NGFa). Dieser Wert liegt damit noch über dem vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung zur EnEV 2009 [12-1] veröffentlichten Vergleichswert von 84
kWh/(m²a) für Krankenhäuser [12-2]. Dabei wurde mit der intensiven Betreuung der Bewohner in Gebäude 9 bei hohem Komfort in einer Krankenhausnutzung die hinsichtlich des
Stromverbrauchs größte Entsprechung für einen Vergleich gesehen.
Derzeit werden durch monatliche Ablesungen des Betriebspersonals die Zählerstände der
Stromverbrauchszähler in Gebäude 9 regelmäßig manuell aufgenommen. Die vorhandene
differenzierte Zählerstruktur ermöglicht eine Analyse des Stromverbrauchs für einzelne Betriebsbereiche bis hin zum Einzelverbrauch der Lüftungsanlage(n) und wurde weitestgehend
auch in das Messkonzept (vgl. Kap. 13) übernommen (Anlage 9-3).
Die vorgenommene Auswertung der manuellen Ablesungen für das Jahr 2012 bis zum letzten vorliegenden Ablesestand 31.10.2012 ergibt die im folgenden Diagramm Bild 12-7 dargestellte Aufschlüsselung des Stromverbrauchs auf die einzelnen Betriebsbereiche und Nutzungen.
Strom Allg.
37 609 kWh
7,9%
sonst. Technik
23 638 kWh
5,0%
Wohnnutzung
248 701 kWh
52,2%
Lüftung
166 318 kWh
34,9%
Wohngruppe Demenz
25 338 kWh
5,3%
Tagespflege
8 120 kWh
1,7%
Wohngruppe 1A
37 779 kWh
7,9%
Wohngruppe 1B
33 391 kWh
7,0%
Wohngruppe 2A
35 668 kWh
7,5%
Wohngruppe 2B
37 459 kWh
7,9%
Wohngruppe 3A
39 298 kWh
8,3%
Wohngruppe 3B
31 649 kWh
6,6%
Bild 12-7: Analyse der Stromverbrauchsstruktur Gebäude 9 – Basis mtl. Verbrauchsablesungen
(Ablesestand 31.10.2012)
Der Gesamtstromverbrauch des Gebäudes für das Jahr 2012 lag bis zum 31.10.2012 bei
rund 474.000 kWh. Der Anteil des in die einzelnen Nutzungsgruppen aufgegliederten Stromverbrauchs für die Wohnnutzung betrug 52,2 %.
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Im Besonderen auffallend ist, dass der Stromverbrauch für die Gebäudelüftung in diesem
Zeitraum allein bei rund 166.300 kWh lag und damit einen Anteil am Gesamtstromverbrauch
von 34,9 % hat. Damit weist die Gebäudelüftung den größten Einzelstromverbrauch beim
Gebäudebetrieb auf, sodass hier ein Ansatz für mögliche Stromeinsparungen durch eine
Betriebsoptimierung zu suchen ist. Dies setzt eine Analyse des derzeitigen Lüftungsbetriebs
unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Gebäudenutzung in Form einer Potentialanalyse hinsichtlich möglicher Einsparungen voraus.
Betrachtung einzelner Gebäudebereiche – Beispiel Wohn- und Pflegebereiche
Eine weitere durchgeführte Auswertung im folgenden Diagramm Bild 12-8 zeigt den monatlichen Stromverbrauch in den einzelnen Pflege- und Wohnbereichen der Wohnnutzung.
Stromverbrauch in den Wohngruppen
Strom [kWh]
4 600
4 400
4 200
4 000
3 800
3 600
3 400
3 200
3 000
2 800
2 600
2 400
2 200
2 000
1 800
1 600
1 400
1 200
1 000
800
600
400
200
0
Jan 12
Feb 12
Wohngruppe
Demenz
Wohngruppe 2A
Mrz 12
Apr 12
Mai 12
Jun 12
Jul 12
Aug 12
Sep 12
Okt 12
Nov 12
Tagespflege
Wohngruppe 1A
Wohngruppe 1B
Wohngruppe 2B
Wohngruppe 3A
Wohngruppe 3B
Dez 12
Monate
Bild 12-8: Monatlicher Stromverbrauch in den einzelerfassten Pflege- und Wohnbereichen auf
Basis der mtl. Verbrauchsablesungen – Monatswerte auf Monatsbeginn und -ende interpoliert
Für eine vergleichende Bewertung der einzelnen Stromverbrauchswerte ist die Einbeziehung
weiterer Parameter wie z.B. die Größe und die Nutzungszeiten der einzelnen Pflege- und
Wohnbereiche, die Belegungszahl etc. erforderlich. Über hieraus gebildete spez. Verbrauchswerte (z.B. Stromverbrauch je m²EBF oder Stromverbrauch je Nutzer etc.) lassen sich
dann die einzelnen Verbräuche beurteilen. Einen nächsten Schritt stellt eine Betriebsanalyse
hinsichtlich Nutzerverhalten, vorhandener Hauptverbraucher in den einzelnen Bereichen und
deren Einsatz etc. im Hinblick auf Einsparpotentiale dar. Dies bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten.
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Visualisierung und Beurteilung von Verbrauchswerten
Die folgenden zwei Diagramme zeigen die Zählerstandverläufe des Gesamtstromverbrauchs
und des Stromverbrauchs für die Gebäudelüftung auf der Basis der manuellen Verbrauchsablesungen.
Strom [kWh]
600 000
Ablesewerte 2012
500 000
474 027
400 000
300 000
200 000
100 000
Datum
31.12.12
12.12.12
23.11.12
4.11.12
15.10.12
26.9.12
7.9.12
19.8.12
30.7.12
11.7.12
22.6.12
3.6.12
14.5.12
25.4.12
6.4.12
18.3.12
27.2.12
8.2.12
20.1.12
1.1.12
0
Bild 12-9: Zählerstandverlauf des Gesamtstromverbrauchs Gebäude 9 auf Basis der mtl. Verbrauchsablesung (Stand 31.10.2012)
Strom [kWh]
Zähler Nr. 90 Geb. 9 Lüftungsanlage
200 000
Ablesewerte 2012
166 318
150 000
100 000
50 000
Datum
31.12.12
12.12.12
23.11.12
4.11.12
15.10.12
26.9.12
7.9.12
19.8.12
30.7.12
11.7.12
22.6.12
3.6.12
14.5.12
25.4.12
6.4.12
18.3.12
27.2.12
8.2.12
20.1.12
1.1.12
0
Bild 12-10: Zählerstandverlauf des Stromverbrauchs für die Gebäudelüftung Gebäude 9 auf
Basis der mtl. Verbrauchsablesung (Stand 31.10.2012)
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Die beiden Zählerstandkurven sind Beispiele für die Visualisierung von Verbräuchen im
Rahmen eines Verbrauchsmonitorings und dienen der laufenden Beurteilung und Dokumentation der Verbrauchsentwicklung.
Über eine zusammenführende Auswertung von Monatsverbrauchswerten und des Verbrauchsverlaufes lassen sich ggf. durchgeführte Optimierungsmaßnahmen auf ihren Erfolg
hin überprüfen und die Auswirkungen auf die Verbrauchsentwicklung bewerten.
Zusammenfassung der Ergebnisse und Monitoring







Aufgrund des hohen Stromverbrauchs in Verbindung mit der noch relativ kurz zurückliegenden Inbetriebnahme von Gebäude 9 kann davon ausgegangen werden, dass
hinsichtlich des Stromverbrauchs noch kein optimierter Gebäudebetrieb vorliegt.
Die Offenlegung der Stromverbrauchsstruktur auf der Basis der manuellen mtl. Verbrauchsablesungen gibt Auskunft, in welchen Betriebs- und Nutzungsbereichen wie
viel Strom verbraucht wird und wo ggf. Einsparmöglichkeiten gesucht werden können.
Die Gebäudelüftung stellt den mit gerundet 35 % größten Einzelstromverbraucher
dar. Entsprechend ist hier ein erster Ansatz für eine Verbrauchsoptimierung durch eine Betriebsoptimierung zu suchen.
Mit einer Auswertung der mtl. Ablesungen lassen sich die Stromverbrauchsentwicklung von Gebäude 9 dokumentieren und Stromeinsparmaßnahmen auf ihren Erfolg
hin kontrollieren.
Im Rahmen eines betreibereigenen Energiecontrollings zu Gebäude 9 sollte eine regelmäßige Auswertung und Visualisierung der Betriebsergebnisse auf der Basis der
mtl. Ablesungen erfolgen.
Ein Monitoring im Rahmen EnEff:Stadt gemäß dem in Kap. 13 vorgestellten Messkonzept würde auch die Grundlage für ein Energiecontrolling im Rahmen eines Arealenergiemanagements darstellen
Hinsichtlich der Erreichung eines möglichst positiven Bilanzierungsergebnisses für
den Energieeinsatz im Bürgerheimareal kann bzw. muss im Sinne einer Effizienzoptimierung durch eine möglichst optimierte Gebäudebetriebsführung bei jedem einzelnen Gebäude ein Beitrag geleistet werden. Hierzu sind Analysen auf der Basis einer
differenzierten Verbrauchserfassung wie in Gebäude 9 eine wichtige Voraussetzung.
Literatur
[12-2] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Bekanntmachung
der Regeln für Energieverbrauchkennwerte und der Vergleichswerte im Nichtwohngebäudebestand ; 30 Juli 2009; Seite 26; Tabelle 2.2; Zeile 7.1; Spalte 7
[12-3] DIN V 4108-6:2003-06: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden –Teil 6:
Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs; Beuth Verlag,
Berlin 2003
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Seite 156 von 219
13. Grobkonzept für ein späteres Monitoring und Messkonzept (Hochschule Biberach)
Entsprechend dem Schwerpunkt des Projekts auf dem Einsatz von Biomasse in Form von
Holzhackschnitzeln zur Arealbeheizung und in der KWK zur Stromerzeugung mit einem zusätzlichen Einsatz von Solarthermie liegt der Fokus des Messkonzepts auf einem umfassenden Monitoring der Heizzentrale und der komplexen Regelung und Steuerung mehrere Erzeuger. Ein weiterer Aspekt ist die zentrale Speicherung mit der nachgelagerten Wärmeverteilung durch das Wärmenetz.
In den Gebäuden des Areals selbst sollen nach den Ergebnissen der Konzeptphase (Phase
1) gemäß dem derzeitigen Stand der Konzeptentwicklung keine geförderten Effizienztechnogien zum Einsatz kommen. Eine Ausnahme stellt ggf. Gebäude 4 dar, wenn die beabsichtigte energetische Sanierung des denkmalgeschützten Gebäudes tatsächlich ausgeführt wird
und eine entsprechend förderwürdige Technologie zum Einsatz kommen sollte. Alternativ
steht ein Abriss des Gebäudes im Raum. Einen Überblick über das Areal mit Gebäude 4 gibt
Bild 13-1.
Bild 13-1: Übersicht über das Areal des Bürgerheims Biberach mit Gebäudenummerierung
Hinsichtlich der Erfassung des Strom- und Wärmeverbrauchs bei den Arealgebäuden ist im
hier vorgelegten Grobkonzept überwiegend eine Erfassung an der Gebäudeübergabestelle
(Hausübergabe) vorgesehen.
Für Gebäude 9 ist die bereits seit der Inbetriebnahme bestehende Verbrauchserfassung zu
einzelnen Gebäude- und Betriebsbereichen in das Messkonzept eingebunden worden. Bei
Gebäude 1 wurde der derzeit vorliegende Planungsstand für die differenzierte Verbrauchserfassung im Gebäude gemäß der Sanierungsplanung berücksichtigt. Die Erfassung und Analyse zusätzlicher Verbrauchsdaten soll der Betriebsoptimierung bei den beiden Gebäuden
dienen, um baldmöglichst einen effizienten Regelbetrieb zu erreichen. Gebäude 9 wurde erst
2010 in Betrieb genommen. Ein zufriedenstellendend optimierter Betrieb insbesondere beim
Stromverbrauch liegt noch nicht vor. Der Betrieb in Gebäude 1 soll Ende 2013 wieder aufgeBürgerheim Biberach
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Seite 157 von 219
nommen werden. Eine Optimierung beim Gebäudebetrieb des neuen und des sanierten Gebäudes stellt einen Baustein dar, um die Projektziele bzgl. Primärenergiebilanz und CO2Emissionen für das Areal zu erreichen.
Neben den Gebäuden die an die arealeigene zentrale Wärmeversorgung angeschlossen
sind, befinden sich auf dem Areal derzeit Gebäude, die noch nicht an die zentrale Wärmeversorgung angeschlossen sind, aber bis spätestens mit dem Erreichen des Zielzustandes
2020 angeschlossen sein sollen. Dies sind Gebäude 4, Gebäude 17 und Gebäude 18. Für
diese Gebäude soll der Medienverbrauch für die Wärmeerzeugung und der Stromverbrauch
bis zu deren Anschluss an das Wärmenetz jährlich über Abrechnungen erfasst werden.
Mit noch offenem Termin ist ein Abriss von Gebäude 7 und Gebäude 8 geplant, wobei Gebäude 8 bereits leer steht. Im hier vorgelegten Grobkonzept wird eine gemeinsame Wärmeverbrauchserfassung für die beiden Gebäude bis zum Abriss als ausreichend angesehen.
Hinsichtlich der Stromversorgung werden derzeit einige Gebäude und einige Teile von Gebäuden zentral von Gebäude 1 aus mit Strom versorgt. Dies betrifft Teile von Gebäude 2,
von Gebäude 3 und von Gebäude 8 und gesamt Gebäude 7 und Gebäude 5. Entsprechend
wurde bei der Darstellung des Messkonzepts für die Stromverbrauchserfassung in eine
Stromversorgung der Gebäude direkt aus dem öffentlichen Netz und eine Versorgung aus
einem arealeigenen Netz mit einer zentralen Speisung aus dem öffentlichen Netz unterschieden. Derzeit stehen im Rahmen der Sanierung von Gebäude 1 Änderungsvarianten in
der Stromversorgung von Gebäude 1 zur Entscheidung an, die auch die über Gebäude 1 mit
versorgten Gebäude und Gebäudeteile betreffen können. Entsprechend sind hier ggf. noch
Anpassungen im Messkonzept erforderlich.
Mit dem Projektschwerpunkt auf der Wärmeversorgung des Areals, einer Verbrauchserfassung für die Arealgebäude ansonsten an der Hausübergabestelle und der Einbindung der
vorhandenen bzw. geplanten differenzierten Verbrauchserfassung in Gebäude 9 und Gebäude 1 gliedert sich das Messkonzept in die folgenden Teilkonzepte:



Teilmesskonzept – Heizzentrale (Anlage 9-1)
Teilmesskonzept – Messungen an den Gebäudegrenzen (Anlage 9-2)
Teilmesskonzept – Einzelmessungen in Gebäude 1 und Gebäude 9 (Anlage 9-3)
In der Anlage zum jeweiligen Teilkonzept ist in den Schemata die Verbrauchserfassungsstruktur für Wärme und Strom dargestellt. Das stark verkleinerte Schema zum Teilmesskonzept für die Heizzentrale in Bild 13-2 gibt einen Überblick über die gewählte Darstellungsform.
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Seite 158 von 219
Bild 13-2: Stark verkleinertes Schema zum Teilmesskonzept - Heizzentrale (vgl. Anlage 9-1)
Die einzelnen Positionen zur Verbrauchsdatenerfassung sind in den Anlagen jeweils textlich
erläutert und in Stichpunkten geplante Auswertungen auf Basis der Messdaten angegeben.
Das Teilmesskonzept zur Heizzentrale beinhaltet auch eine umfängliche Einbeziehung von
Daten aus der Steuerung und Regelung (MSR-Daten). Dabei sollen sowohl die internen
MSR-Daten der einzelnen Erzeuger (mit Fokus auf die Holzhackschnitzel KWK), als auch die
übergeordneten MSR-Daten für die gesamte Heizzentrale einschließlich der zentralen Speicherung und Verteilung in die Analysen mit einbezogen werden. Beispiele sind Speichertemperaturen, Stell- und Betriebssignale, Statusmeldungen etc. die eine Analyse des Zusammenspiels der einzelnen Erzeuger, der Speicherung und Verteilung erlauben. Die Datenauswahl und die Aufstellung der erforderlichen Auswerte- und Analysesystematik hinsichtlich
der MSR-Daten ist eine Aufgabe der Projektphase 2 und ist im Rahmen der Planung der
Heizzentrale parallel mit zu entwickeln.
Geplant ist, alle Verbrauchs- und Betriebsdaten soweit möglich als Minutenwerte aufzuzeichnen, um auch dynamische Effekte und Wechselwirkungen bei der Regelung und Betriebsführung der Heizzentrale erfassen zu können. In Abhängigkeit vom Auswerteziel werden daraus Stunden-, Tages-, Wochen-, Monats- und Jahreswerte für die Bildung der jeweils
erforderlichen Kenn- und Bewertungsgrößen berechnet und die Bilanzierungen für die Wärmeerzeugung durch die Heizzentrale und den Wärmeverbrauch bei den Arealgebäude vorgenommen. Hinsichtlich der Wärmeerfassung sollen alle zusätzlich aus den Wärmerechenwerken zur Verfügung stehenden Datenpunkte (Vor- und Rücklauftemperatur, Spreizung,
Volumenstrom, Leistung etc.) erfasst werden um sie einer regelmäßigen Auswertung oder
bei Bedarf einer zielorientierten Analyse zu zuführen. In analoger Weise sollen die Möglichkeiten der Stromzähler genutzt werden.
Literatur
[13-1] Erhorn, Hans; Erhorn-Klittig, Heike; Reiss Johan: Leitfaden für Messkonzepte in
EnEff:Stadt; Fraunhofer-Institut für Bauphysik
@ssmann gruppe
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14. Nutzerumfrage unter Bewohner/innen und Mitarbeiter/innen (Hochschule Biberach)
Eine Befragung unter Gebäudenutzern ermöglicht es, einen Einblick in die Zufriedenheit mit
der Gebäudenutzung und in die Akzeptanz der technischen Gebäudeausrüstung zu geben
und Verbesserungspotenziale im Bestand sowie für Sanierungs- und Neubauplanungen zu
erheben. Dies gilt insbesondere für Nutzergruppen mit evtl. speziellen Bedürfnissen, wie sie
im Bürgerheim Biberach zu erwarten sind.
Im Bürgerheim Biberach fand hierzu vom 16.11.2012 bis 28.11.2012 eine Umfrage unter den
Bewohner/innen und Mitarbeiter/innen statt. Die zugehörigen Fragebögen wurden von der
HBC in Anlehnung an Umfragen der sozialen Dienstleistung „Belegung Sichern“ im Bürgerheim Biberach [14-1], sowie des RehaVereins (Verein für die Rehabilitation psychisch Kranker e.V. Mönchengladbach) [14-2] und Umfragen zur Nutzerzufriedenheit in Bürogebäuden
von Elke Gossauer [14-3] erstellt und dem Bürgerheim übergeben. Insgesamt wurden 170
Fragebögen an die Mitarbeiter/innen und 180 Fragebögen an die Bewohner/innen durch das
Bürgerheim ausgegeben. Anhand des Rücklaufs war vor allem unter den Bewohner/innen
eine hohe Beteiligung zu verzeichnen. Es gingen 55 ausgefüllte Fragebögen von den Mitarbeiter/innen und 112 Fragebögen von den Bewohner/innen ein. Dies entspricht einer Rücklaufquote von insgesamt 47,7 % (Mitarbeiter/innen: 32,4 %, Bewohner/innen: 62,2 %).
An dieser Stelle sei ein herzlicher Dank an alle Beteiligten ausgesprochen.
14.1 Ziele der Umfrage
Die Umfrage dient in erster Linie dazu, die Zufriedenheit der Nutzer im Ist-Zustand anhand der Wahrnehmung und des Wohlbefindens in den unterschiedlichen Behaglichkeitsbereichen (Hören, Sehen, Riechen und Fühlen) zu ermitteln. Weitere inhaltliche Schwerpunkte
liegen zudem im bewussten Umgang mit Energie sowie in den Möglichkeiten und im Bedarf
selbstständig in das Raumklima einzugreifen. Damit geben die Aussagen in den Fragebögen
einen Einblick in den Erwartungshorizont der Nutzer/-innen und lassen sich z. B. auch auf
Nutzungsanforderungen bezüglich anstehender Sanierungsmaßnahmen übertragen.
Bild 14-1: Schematische Darstellung der Inhalte / Ziele der Nutzerumfrage
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Seite 160 von 219
14.2 Durchführung der Umfrage
Bezüglich der Wohn- und Arbeitssituation ist zu berücksichtigen, dass Gebäude 2 „Altenwohnheim“ (AWH) und Gebäude 3 „Betreute Altenwohnungen“ (BAW) 1-2 ZimmerWohnungen umfassen und ein selbstständiges Wohnen ermöglichen. Gebäude 7 „Haus 2“
(H2) enthält im Wesentlichen Büroräume der Verwaltung sowie Einzelzimmer und Wohnformen des gemeinschaftlichen Wohnens. In Gebäude 9 „Individuell Leben in Wohngruppen“
(ILW) sind sämtliche Zimmer der Bewohner/innen dem gemeinschaftlichen Wohnen zu geordnet.
Bild 14-2: Lageplan mit Bezeichnung der relevanten Gebäude
Die Fragebögen wurden von den Mitarbeiter/innen und den Bewohner/innen, sofern möglich
selbstständig, ausgefüllt. Lediglich unter den Bewohner-/innen im Pflegebereich in den Gebäuden „Individuell Leben in Wohngruppen“ ILW und „Haus 2“ H2 fand die Beantwortung der
Fragen zum Teil unter Hilfestellung der Alltagsbetreuung statt.
Mit der Ergebnisauswertung zeigte sich, dass die Fragestellungen vereinzelt optimiert werden können, um mit noch einfacheren Formulierungen die Verständlichkeit zu erhöhen. Die
formal in Ausdrucksform und Darstellung korrigierten, inhaltlich aber identischen Fragebögen
sind im Anhang beigefügt und können für weitere Nutzerumfragen herangezogen werden.
@ssmann gruppe
Seite 161 von 219
14.3 Ergebnisauswertung
Die Ergebnisse der Umfrage sind im Folgenden in Diagramm- und Textform zusammengestellt. Dabei sind die Ergebnisse der Umfrage grafisch dargestellt und werden punktuell im
Text durch Differenzierung der einzelnen Gebäudetypen ergänzt.
Aufgrund der Unterschiedlichkeit der beiden Personengruppen Mitarbeiter und Bewohner
werden die Ergebnisse jeweils nach diesen Gruppen getrennt dargestellt. Hierbei sind die
Mitarbeiter/innen in Orangetönen und die Bewohner/innen in Grüntönen abgebildet.
Bei Fragestellungen, für die ein Vergleich zwischen beiden Personengruppen nicht zielführend ist, erfolgt die Darstellung im Kreisdiagramm im Hinblick auf die Antwortverteilung innerhalb der jeweiligen Personengruppe. Die Balkendiagramme konzentrieren sich bei gegebener Möglichkeit dagegen auf die Gegenüberstellung und den direkten Vergleich beider
Gruppen. In sämtlichen Diagrammen erfolgt die Ergebnisausgabe prozentual, bezogen auf
die eingegangenen ausgefüllten Fragebögen.
In der Umfrage wurden zunächst Fragen zur Person und den Arbeits- bzw. Wohnbereich
gestellt. Diese Inhalte (Bild 14-3 bis 14-7) ermöglichen eine Differenzierung der einzelnen
Ausgangssituationen sowie die Untersuchung möglicher Einflusskriterien der Klimawahrnehmung.
keine
Angabe
4%
männlich
9%
männlich
18%
weiblich
78%
weiblich
91%
Mitarbeiter/innen
Bewohner/innen
Bild 14-3: Differenzierung der Teilnehmer – Geschlecht (Frage: A1)
Die Umfrage spiegelt insgesamt einen hohen weiblichen Anteil, sowohl unter den Mitarbeitern als auch den Bewohnern, wider (Bild 14-3). Diese vergleichbare Geschlechtsverteilung
bedeutet für die weitere Ergebnisanalyse, dass mögliche geschlechtsspezifische Unterschiede in der Klimawahrnehmung zwischen den Personengruppen Mitarbeiter/innen und Bewohner/innen vernachlässigt werden können. Vielmehr treten andere Kriterien in den Vordergrund, die die individuelle Wahrnehmung sowie Anforderungen an das Raumklima beeinflussen. Im Rahmen der Auswertung sollen diese Einflusskriterien aufgezeigt werden, um die
Ursache für spezifische Bedürfnisse zu ergründen und mögliche Lösungsansätze zu diskutieren.
@ssmann gruppe
Seite 162 von 219
unter 26
56 - 65 4%
26 - 35
7%
15%
36 - 45
18%
46 - 55
56%
keine Angabe 46 - 55 56 - 65
1%
2%
2%
über 95
3%
66 - 75
10%
76 - 85
29%
86 - 95
53%
Mitarbeiter/innen
Bewohner/innen
Bild 14-4: Differenzierung der Teilnehmer – Alter [Jahre] (A1)
In Bild 14-4 sind die Teilnehmer gemäß der Altersangabe aufgeschlüsselt dargestellt. Unter
den teilnehmenden Mitarbeiter/innen sind 63 % älter als 45 Jahre. Über die Hälfte der Bewohner/innen (56 %) sind älter als 85 Jahre. Hier liegt der Altersdurchschnitt bei etwa 83
Jahren.
keine Angabe
15%
alle
5%
Küche
5%
H2 (Haus 7)
24%
keine
Angabe
BAW
8%
(Haus 3)
10%
H2
(Haus 7)
15%
AWH
(Haus 2)
18%
ILW
(Haus 9)
49%
ILW (Haus 9)
51%
Mitarbeiter/innen
Bewohner/innen
Bild 14-5: Differenzierung der Teilnehmer – Gebäudenutzung (B2)
Die Zuordnung zu den Gebäuden (Bild 14-5) ermöglicht zum einen die Bewertung der unterschiedlichen Gebäudetypen und zum anderen eine vergleichende Betrachtung der Gebäude
H2 und ILW und damit den Vergleich von Gebäuden unterschiedlichen Standards bei ähnlicher Nutzung. Im Blick auf laufende und bevorstehende Baumaßnahmen lassen sich kriti-
@ssmann gruppe
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sche Äußerungen der Bewohner der Gebäude BAW und AWH berücksichtigen, um im Rahmen der Neugestaltung eine höhere Nutzerakzeptanz zu erreichen.
keine
Angabe
4% Verwaltung
Haus/ Büro
wirtschaft
14%
15%
keine
Angabe
2-Zimmer- 3%
Wohnung
13%
Betreuung
und Pflege
31%
Alltagsbegleitung
36%
Wohngruppe
49%
1-ZimmerWohnung
35%
Mitarbeiter/innen
Bewohner/innen
Bild 14-6: Differenzierung der Mitarbeiter - Arbeitsbereich und Bewohner – Wohnbereich (B3)
Die Angaben zum Wohnbereich sind lediglich für die Bewertung der einzelnen Wohngruppe
im Haus ILW hilfreich, sofern dies gewünscht ist. Ansonsten ist die Aussage für die weitere
Ergebnisauswertung unbedeutend und wurde nicht weiter berücksichtigt.
45
42,0
41,0
40
relative Häufigkeit [%]
35
31,8
30
26,3
24,3
25
19,4
20
15,4
15
10
5
0
0,8
1,2
1,6
2,0
Aktivitätsgrad nach DIN EN ISO 7730 [-]
Mitarbeiter/in
2,4
Bewohner/in
Bild 14-7: Relative Tätigkeitsverteilung an einem typischen Tag (B6)
Der Arbeitsbereich (Bild 14-6) beinhaltet Informationen zu Anforderungen und Arbeitsumfeld
der Mitarbeiter/innen, die durch die Angabe der typischen Tätigkeitsverteilung über den Tag
@ssmann gruppe
Seite 164 von 219
inhaltlich vervollständigt werden. In der Auswertung wurde die angegebene Tätigkeitsverteilung (Bild 14-7) entsprechend dem Aktivitätsgrad (in der Metabolischen Einheit [met]) nach
DIN EN ISO 7730 zugeordnet. Bereits in der grafischen Darstellung wird deutlich, dass der
mittlere Aktivitätsgrad der Mitarbeiter (1,82 met) wesentlich höher im Vergleich zum Aktivitätsgrad der Bewohner (1,18 met) ist.
2,7 1,8
65,2
Bewohner/in
30,4
38,2
Mitarbeiter/in
47,3
0,0
25,0
1,8 1,8
10,9
50,0
75,0
100,0
ja
eher ja
eher nein
nein
keine Angabe
Bild 14-8: Allgemeine Zufriedenheit mit Wohn- bzw. Arbeitssituation (B4)
… durch
Haustechnik
… von draußen
… aus anderen Räumen … von draußen bei
bei geöffnetem
Fenster
/ dem Treppenhaus geschlossenem Fenster
Bezüglich der allgemeinen Zufriedenheit empfinden die Bewohner/innen mit insgesamt
95,6 % (65,2 % ja + 30,4 % eher ja) positiven Äußerungen ihre Wohnsituation sehr positiv,
noch mehr als dies bei den Mitarbeiter/innen in Bezug auf ihre allgemeine Arbeitssituation
mit 85,5 % (38,2 % ja + 47,3 % eher ja) der Fall ist. Außerdem geben lediglich 4,5 % der
Bewohner/innen an (eher) unzufrieden zu sein, wohingegen es bei den Mitarbeiter/innen
12,7 % sind.
Bewohner/in
16,1
37,5
12,7
Mitarbeiter/in
25,0
12,5
61,8
8,9
14,5
7,3 3,6
2,7
Bewohner/in
29,5
49,1
7,1
41,8
Mitarbeiter/in
11,6
45,5
7,3 3,6
1,8
0,9
25,9
Bewohner/in
50,0
32,7
Mitarbeiter/in
8,9
14,3
52,7
10,9
1,8 1,8
0,9
Bewohner/in
32,1
50,9
Mitarbeiter/in
30,9
52,7
0
25
50
6,3
12,7
75
9,8
3,6
100
sehr zufrieden
recht zufrieden
weniger zufrieden
gar nicht zufrieden
keine Angabe
Bild 14-9: Zufriedenheit mit unterschiedlichen Geräuschquellen (C1)
@ssmann gruppe
Seite 165 von 219
Bzgl. der akustischen Situation (Bild 14-9) unterscheiden sich die Antworten der Bewohner/innen im Wesentlichen durch einen größeren Prozentsatz fehlender Antworten von denen der Mitarbeiter/innen. Ansonsten ist die Bewertung durch Bewohner/innen und Mitarbeiter/innen sehr ähnlich. Lediglich bezüglich der Geräuschwahrnehmung aus dem Außenraum
sind bei geöffnetem Fenster größere Unterschiede zu erkennen. Hierbei empfinden die Bewohner/innen Geräusche insgesamt eher als störend.
Aus dem Vergleich der Gebäude ILW und H2 (hier nicht grafisch dargestellt) wird ersichtlich,
dass sowohl Bewohner als auch Mitarbeiter in H2 bezüglich der Geräuschwahrnehmung
etwas weniger zufrieden sind, ausgenommen der Außengeräusche bei geöffnetem Fenster.
Diese werden von den Nutzer/-innen des ILW wesentlich negativer empfunden (Bewohner/innen 45,5 % (H2: 23,5 %); Mitarbeiter/innen 25,0 % (H2: 23,1 %)). Die Wahrnehmung
der Bewohner/innen im Betreuten Wohnen ist mit der gesamten Ergebniswiedergabe vergleichbar. Zu berücksichtigen ist, dass derzeit Bauarbeiten erfolgen und damit die Hauptursache für die Unzufriedenheit nur temporär besteht.
94,6
100
90
80
70
58,2
60
50
40
30
20
10
0
18,2
14,5
0,0
viel zu klein
1,8 1,8
1,8
zu klein
genau richtig
Mitarbeiter/in
zu groß
7,3
0,0 0,0
1,8
viel zu groß keine Angabe
Bewohner/in
Bild 14-10: Beurteilung der Fenstergröße (C2)
Die Fenstergröße stößt bei den Bewohner/innen zu 94,6 % auf hohe Zufriedenheit. Die negativen Bewertungen (14,5 % viel zu klein und 18,2 % zu klein) unter den Mitarbeiter/innen
sind im Wesentlichen durch die fehlende natürliche Belichtung in Personalräumen des ILW
begründet.
@ssmann gruppe
Seite 166 von 219
100
91,3
90
80
70
60
44,4
50
40
30
19,2
20
18,6
3,4
10
16,8
3,4
0,0
0
Deckenleuchte Wandleuchte
Stehleuchte
Mitarbeiter/in
1,8 0,9
Schreibtisch-/ keine Angabe
Leselampe
Bewohner/in
Bild 14-11: Kunstlicht-Nutzung – Mehrfachnennung möglich (C3)
… Tageslichtsituation
… Kunstlichtsituation
… Sonnenschutz
… Ausblick und
Bezug nach
Draußen.
Die Kunstlichtnutzung erfolgt bei den Bewohner/innen wesentlich individueller, da die Gestaltung des Wohnraumes in der Regel größere Einflussmöglichkeiten beinhaltet, als diese am
Arbeitsplatz für die Mitarbeiter/innen bestehen. Die Mitarbeiter/innen nehmen nur geringfügig
Einfluss auf die baulich vorgegebene Beleuchtung.
Bewohner/in
25,9
52,7
21,8
Mitarbeiter/in
52,7
25,9
Bewohner/in
10,7
18,2
57,1
27,3
Mitarbeiter/in
6,3 4,5
3,6 3,6
3,6
13,4
58,2
12,7
1,8
1,8
Bewohner/in
20,5
58,0
Mitarbeiter/in
20,0
58,2
9,8
9,8
18,2
1,8 1,8
33,0
Bewohner/in
56,3
18,2
Mitarbeiter/in
6,3
54,5
16,4
0,9
3,6
9,1
1,8
0
25
50
75
100
sehr zufrieden
recht zufrieden
weniger zufrieden
gar nicht zufrieden
keine Angabe
Bild 14-12: Zufriedenheit mit natürlichem und künstlichem Licht sowie Blickbezügen (C4)
Zur Zufriedenheit mit natürlichem und künstlichem Licht sowie Blickbezügen wurden von bis
zu 13 % der Bewohner/innen keine Angaben gemacht. Aus der relativen Verteilung der gegebenen Antworten ist dennoch eine insgesamt höhere Zufriedenheit als bei den MitarbeiBürgerheim Biberach
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Seite 167 von 219
… Bodenbelag und
Möbeln
… technsichen Geräten
… dem Gebäudeinneren
durch Nutzung.
…draußen.
ter/innen ersichtlich. Hierbei tritt auch in der differenzierten Betrachtung der einzelnen Gebäude keine wesentliche Abweichung hervor.
Bei den Mitarbeiter/innen besteht bezüglich der Tageslichtsituation und dem Ausblick nach
draußen eine geringere Zufriedenheit (25,5 % und 21,8 % weniger zufrieden bzw. unzufrieden). Dabei sind die Mitarbeiter/innen in H2 eher unzufriedener als im ILW.
Insgesamt sind jedoch über 70 % bis ca. 85 % der Nutzer (Bewohner/innen und Mitarbeiter/innen) mit der visuellen Situation zufrieden bzw. sehr zufrieden.
73,2
Bewohner/in
Mitarbeiter/in
10,7
4,5 3,6
85,5
8,0
5,5 3,6 3,6
1,8
1,8
74,1
Bewohner/in
16,1
60,0
Mitarbeiter/in
8,0
30,9
Bewohner/in
5,5
1,8 1,8
0,9
3,6
83,9
81,8
Mitarbeiter/in
11,6
14,5
1,8 1,8
0,9 0,9
2,7 6,3
89,3
Bewohner/in
Mitarbeiter/in
80,0
16,4
1,8 1,8
0
25
50
75
100
nein
ja, ein wenig
ja, stark
ja, sehr stark
keine Angabe
Bild 14-13: Wahrnehmung störender Gerüche aus unterschiedlichen Quellen (C5)
Bezüglich der Geruchswahrnehmung ist insgesamt eine über 90 % positive Bewertung beider Personengruppen zu verzeichnen. Auf Seiten der Mitarbeiter/innen werden lediglich Gerüche durch die Nutzung (z. B. Essensgerüche in Gebäude H2) als geringfügige Störung
empfunden.
Bewohner/in
6,3
82,1
Mitarbeiter/in
5,4 3,6 2,7
72,7
21,8
1,8
0
1,8 1,8
25
50
75
100
sehr gut
gut
schlecht
sehr schlecht
keine Angabe
Bild 14-14: Beurteilung der Luftqualität (C6)
@ssmann gruppe
Seite 168 von 219
c
b
a
Die Luftqualität wird zwar sowohl von Bewohner/innen als auch Mitarbeiter/innen in großem
Umfang als gut bewertet und von einem geringen Anteil als sehr gut. Auf Seiten der Mitarbeiter wird die Luftqualität dagegen etwas kritischer bewertet.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
83,9
63,6
23,6
3,6 6,3
7,3 4,5
1,8
48,2
0,0 0,9
41,8
30,9
21,8
28,6
9,8
0,0 0,0
1,8 2,7
1,8 0,9
12,5
3,6
62,5
54,5
16,415,2
12,7
5,5 7,1
zu kalt
zu kühl
genau richtig
Mitarbeiter/in
12,5
0,9
3,6 1,8
7,3
zu warm
zu heiß
keine
Angabe
Bewohner/in
Bild 14-15: Temperaturempfinden zum Befragungszeitpunkt (a) und im Rückblick an einem sehr
heißen (b) bzw. kalten (c) Tag (D1)
Anhand der Raumtemperaturbewertung wird deutlich, dass die Zufriedenheit auf Seiten der
Bewohner in den drei Szenarien etwas höher ist als die Bewertung der Mitarbeiter/innen. So
wird an einem sehr heißen Tag zwar die Raumtemperatur von insgesamt 38,4 % der Bewohner/innen als zu hoch empfunden, wobei 48,2 % weiterhin zufrieden sind. Im Gegensatz
dazu bewerten über 70 % der Mitarbeit/-innen die an einem sehr heißen Tage herrschende
Raumtemperatur als zu warm bzw. zu heiß. Die Bewohner/innen bevorzugen offenbar etwas
höhere Temperaturen, sodass ein von den Mitarbeiter/innen als zu warm/ zu heiß eingestuftes Klima von den Bewohner/innen eher noch als angenehm empfunden wird.
@ssmann gruppe
Seite 169 von 219
Diese unterschiedlichen Bewertungen durch die beiden Personengruppen lassen sich neben
dem Altersunterschied durch den Aktivitätsgrad der Personen und die damit verbundenen
anderen Anforderungen an die Raumtemperatur erklären. So lässt sich aus der differenzierten Betrachtung der Gebäudetypen (H2 und ILW) feststellen, dass in Gebäude H2 die Raumtemperatur von den Bewohner/innen eher akzeptiert wird, während die Mitarbeiter/innen die
Temperatur an einem heißen Tag zu insgesamt 62,6 % als zu hoch und an einem kalten Tag
zu insgesamt 53,9 % als zu niedrig empfinden. Im ILW wird das Raumklima von den Mitarbeiter/innen dagegen in allen Situationen eher als zu warm empfunden.
0
10 15 20 25 30
5
Fenster und Tür öffnen
12,2
6,0
7,6
5,6
Bewohner/in
23,4
22,9
23,8
Sonnenschutz betätigten
keine Angabe
Mitarbeiter/in
19,1
Heizkörperventil / Raumthermostat
betätigen
Sonstige
40
32,1
33,4
Fenster öffnen
Tür öffnen
35
2,3
5,2
3,6
2,7
Bild 14-16: Maßnahmen zur Beeinflussung der Raumtemperatur – Mehrfachnennung möglich (D2)
Um das Raumklima gemäß den persönlichen Ansprüchen zu beeinflussen greifen sowohl
Bewohner/innen als auch Mitarbeiter/innen auf das Fensteröffnen, den Sonnenschutz und
das Heizkörperventil zurück.
Als sonstige Maßnahmen nennen die Mitarbeiter/innen die Nutzung eines zusätzlichen Ventilators, die Variation der Bekleidung und das Ausschalten der „starken“ Beleuchtung. Einige
Bewohner/innen im Pflegebereich sind allerdings zur Beeinflussung des Raumklimas auf die
Hilfe von Pflege- und Aktivierungspersonal angewiesen. Dabei werden sie in ihrer Handlungsfreiheit insbesondere durch die kraftaufwändige Betätigung der Fensterflügel eingeschränkt.
@ssmann gruppe
Seite 170 von 219
80
75,0
70
60
50,9
50
34,5
40
30
15,2
20
10
0
1,8 0,0
3,6 1,8
viel zu feucht
etwas zu
feucht
unauffällig
Mitarbeiter/in
etwas zu
trocken
9,1
4,5
0,0
viel zu
trocken
3,6
keine
Angabe
Bewohner/in
Bild 14-17: Empfundene Luftfeuchtigkeit (D3)
Die Luftfeuchtigkeit wird tendenziell als zu trocken empfunden, wobei etwa 50 % der Mitarbeiter/innen und 75 % der Bewohner/innen keine Einschränkung wahrnehmen.
D 4 Zuglufterscheinung
Bewohner/in
42,9
Mitarbeiter/in
25,0
14,5
32,7
0
22,3
41,8
25
50
5,4
0,9
3,6
10,9
75
100
nie
fast nie
selten
häufig
fast immer
keine Angabe
Bild 14-18: Wahrnehmung von Zugluft (D4)
Zugluft wird von Bewohner/innen seltener wahrgenommen als von Mitarbeiter/innen. Differenziert nach Gebäuden ist festzustellen, dass im ILW 60 % der Bewohner/innen und 21,4 %
der Mitarbeiter/innen nie Zugluft wahrnehmen und im H2 dies 23,5 % der Bewohner/innen
und 0 % der Mitarbeiter/innen sind.
74,5
80
70
60
52,7
50
40
25,9
30
20
10
10,9
3,6 1,8
1,8 2,7
1,8
8,0
7,3 8,9
0
jeden 3. Tag jeden 2. Tag 1-2 x täglich 3-4 x täglich 5 x täglich
und seltener
und öfter
Mitarbeiter/in
Bild 14-19: Häufigkeit des Fensteröffnens (D5)
keine
Angabe
Bewohner/in
Bild 14-19 gibt einen Einblick in die durchschnittliche Häufigkeit des Fensteröffnens während
des Befragungszeitraums. Die Bewohner/innen öffnen die Fenster insgesamt häufiger als die
Mitarbeiter/innen.
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Seite 171 von 219
Dabei liegen wesentliche Gründe für das Fensteröffnen (Bild 14-20) für Mitarbeiter/innen und
Bewohner/innen im Luftaustausch (54,4 % und 72,6 %). Die Raumtemperierung spielt dabei
eine wesentlich geringere Rolle. Weitere Gründe des Fensteröffnens, die unter Sonstige benannt wurden, sind im Folgenden inhaltlich und in ihrer Nennungshäufigkeit aufgeführt.
Mitarbeiter/in
Bewohner/in
Gerüche
5
1
Hygiene (Bakterien, Schimmel)
3
5
Verbindung zum Außenraum
1
Je nach Stimmung / Belieben
2
Tabelle 14-1: Weitere Gründe um das Fenster zu öffnen
80
72,6
70
54,4
60
50
40
30
20
27,2
14,2
11,1
10
6,0
7,3 7,1
0
Im Raum ist es Die Luft im Raum
zu warm / kalt. ist verbraucht.
Mitarbeiter/in
Sonstige
keine Angabe
Bewohner/in
Bild 14-20: Gründe für das Fensteröffnen – Mehrfachnennung möglich (D6)
Ein weiterer Schwerpunkt der Umfrage liegt in der Eigeneinschätzung des persönlichen Wissenstands zum energieeffizienten Verhalten in unterschiedlichen Bereichen. Hierbei wird
zum einen das aktuelle Bewusstsein der Nutzer bezüglich Eingriffsmöglichkeiten (Bild 14-21)
sowie Widersprüchen, die zwischen den Komfortanforderungen und der Nutzung bestehen
(Bild 14-22), erfragt. Zum anderen konnten der Wunsch nach Information (Bild 14-23) geäußert sowie gewünschte Art und Weisen der Informationsweitergabe benannt werden.
@ssmann gruppe
Seite 172 von 219
Lüften
Umgang mit
Sonnenschutz
Umgang mit elektr.
Licht
Umgang mit
elektr.
Geräten
Bewohner/in
4,5
22,3
20,5
18,2
Mitarbeiter/in
27,7
Bewohner/in
25,0
4,5
17,0
33,9
18,2
20,5
3,6
1,8
19,6
49,1
33,9
3,6
20,0
18,8
18,2
Mitarbeiter/in
33,0
52,7
21,8
Mitarbeiter/in
25,5
17,0
21,8
Bewohner/in 2,7
25,0
52,7
5,4
Bewohner/in
Mitarbeiter/in
27,7
3,6 7,3
27,7
13,4
54,5
21,8
3,6
Heizen
1,8
5,4
Bewohner/in
33,0
16,4
Mitarbeiter/in
23,2
26,8
50,9
21,8
11,6
9,1
1,8
0
25
50
75
100
sehr gut informiert
gut informiert
wenig informiert
nicht informiert
keine Angabe
Bild 14-21: Eigeneinschätzung des persönlichen Wissensstands zu energieeffizientem
Verhalten (E1)
Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Bewohner/innen dieser Thematik eine etwas geringere Bedeutung zukommt als durch die Mitarbeiter/innen. Kriterien für diese Aussage sind fehlende Angaben in der Beantwortung sowie ein geringer Informationsbedarf bei gleichzeitig
niedrigem Wissensstand bezüglich des energieeffizienten Verhaltens der Bewohner/innen.
Die Mitarbeiter/innen fühlen sich dagegen in allen fünf Bereichen mit über 67 % (sehr) gut
informiert, wobei der eigene Wissenstand zu energieeffizientem Heizen relativ am geringsten
eingeschätzt wird. Zudem zeigt der Vergleich zwischen den Gebäuden ILW und H2, dass
sich die Nutzer (Bewohner und Mitarbeiter) von H2 insgesamt als etwas weniger gut informiert einschätzen.
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Seite 173 von 219
60
53,6
50
40
27,9
30
22,3
20,4
20
11,9
10
13,4
9,8
14,5
10,2
4,6 5,7
5,2
0,0 0,5
0
Heizen
Lüften
Umgang mit Umgang mit Umgang mit
Sonnenschutz elektr. Licht elektr. Geräten
Mitarbeiter/in
Sonstige
keine Angabe
Bewohner/in
Bild 14-22: Empfundener Widerspruch zwischen Komfort und energieeinsparendem Verhalten
- Mehrfachnennung möglich (E2)
Die Frage nach einem empfundenen Widerspruch zwischen dem Komfortbedürfnis und
Maßnahmen eines energiesparsamen Verhaltens (Bild 14-22) deutet mit einem geringen
Rücklauf auf Seiten der Bewohner/innen (46,4 %) darauf hin, dass entweder kein Widerspruch gesehen wird oder Unklarheiten bezüglich der Fragestellung vorlagen.
In beiden Personengruppen liegt der empfundene Widerspruch im Wesentlichen in den Bereichen elektrische Beleuchtung, Heizen und Lüften. Diese Ergebnisse bestätigen andere
kritischen Angaben zu diesen Themenbereichen.
keine
Angabe
8%
keine
Angabe
4%
nein
42%
Mitarbeiter/innen
ja
54%
ja
22%
nein
70%
Bewohner/innen
Bild 14-23: Informationsbedarf zu energieeffizientem Verhalten (E3)
Nähere Informationen zu energieeffizientem Verhalten und dem optimalen Umgang mit gebäudetechnischen Einrichtungen wünschen 54 % der Mitarbeiter/innen und 22 % der Bewohner/innen (Bild 14-23).
Die in der freien Nennung gewünschten Informationsarten lassen sich in Kategorien der
mündlichen und schriftlichen Form differenzieren. Dabei möchten Bewohner/innen unter anderem auch durch öffentliche Medien (Tageszeitung und Fernsehen) sowie persönlich durch
Angehörige informiert werden.
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Seite 174 von 219
Mitarbeiter/in
Bewohner/in
48 %
56 %
52 %
44 %
Mündlich
Schulung, Besprechung, persönliche Einweisung durch Fachleute
bzw. Mitarbeiter des BHBC (oder Angehörige, Fernsehen)
Schriftlich
Informationsmaterial, Aushang, (Schwäbische Zeitung)
Tab. 14-2: Gewünschte Informationsart
Licht
Temperatur
Luftqualität
Lärm /
Geräuschpegel
Möblierung /
Gestaltung
Abschließend thematisiert die Umfrage die Bedeutung einzelner Themenbereiche für das
Wohlbefinden der Nutzer sowie die Art des Veränderungsbedarfs in diesen Bereichen. Die
Ergebnisse zeigen, dass allgemein allen fünf Bereichen eine hohe Bedeutung (min 73,2 %)
zukommt. Dabei wird von den Mitarbeiter/innen die Bedeutung tendenziell etwas höher eingestuft, als dies durch die Bewohner/innen geschieht. Temperatur und Luftqualität treten in
ihrer Bedeutung und dem Veränderungsbedarf ein wenig hervor.
36,6
Bewohner
Mitarbeiter
40,0
Bewohner
39,3
39,3
9,8
38,2
10,9
33,9
12,5
65,5
Mitarbeiter
6,3
8,0
10,9
2,7
11,6
27,3
7,3
1,8 0,9
Bewohner
62,5
25,9
80,0
Mitarbeiter
8,9
12,7
7,3
1,8 1,8
62,5
Bewohner/in
25,9
78,2
Mitarbeiter/in
Bewohner/in
14,5
56,3
28,6
0
23,6
25
50
7,3
6,3 4,5 4,5
67,3
Mitarbeiter/in
8,0
75
9,1
100
extrem wichtig
etwas wichtig
weniger wichtig
völlig unwichtig
keine Angabe
Bild 14-24: Bedeutung einzelner Themenbereiche für das Wohlbefinden (F1)
Betrachtet man die Ergebnisse gebäudespezifisch, so wird deutlich, dass die Anforderungen
an die Lichtsituation in H2 mit den Aussagen „extrem wichtig“ und „etwas wichtig“ über dem
Durchschnitt liegen. Im ILW bestehen dagegen erhöhte Anforderungen an Temperatur, Luftqualität und Lärm/Geräuschpegel.
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Licht
Temperatur
Luftqualität
Lärm /
Geräuschpegel
Möblierung /
Gestaltung
Bewohner/in
4,5
19,6
Mitarbeiter/in
10,9
Bewohner/in
9,8
Mitarbeiter/in
8,9
30,9
8,9
18,8
26,8
7,1
25,0
20,5
25,5
33,9
0
16,1
16,4
36,6
32,7
9,1
17,9
12,7
25
10,9
9,1
16,4
11,6
9,1
17,0
20,0
23,6
13,4
Mitarbeiter/in
30,4
8,0
34,5
Bewohner/in
18,2
32,7
17,0
Mitarbeiter/in
10,9
24,1
32,7
27,3
Bewohner/in
12,7
33,9
27,3
Mitarbeiter/in
28,6
34,5
23,2
12,7
Bewohner/in
38,4
9,1
20,0
50
75
100
hoher Bedarf
geringer Bedarf
kaum Bedarf
kein Bedarf
keine Angabe
Bild 14-25: Aktueller Veränderungsbedarf einzelner Themenbereiche (F2)
Die Einflussmöglichkeiten werden durch die Mitarbeiter/innen und Bewohner/innen nahezu in
der gleichen Verteilung wahrgenommen.
7,1
Bewohner/in
Mitarbeiter/in
34,8
12,7
0
30,4
32,7
11,6
41,8
25
50
16,1
3,6
75
9,1
100
sehr vielseitig
vielseitig
gering
gleich Null
keine Angabe
Bild 14-26: Eigeneinschätzung der individuellen Einflussmöglichkeit (F4)
So wird eine hohe bzw. niedrige Einflussmöglichkeit von den Bewohner/innen und von den
Mitarbeiter/innen in der Gesamtbewertung gleich stark angegeben. Dabei ist unter den Bewohner/innen und Mitarbeiter/innen im ILW im Vergleich zu den anderen Gebäuden eine
wahrgenommene Einschränkung zu erkennen und im H2 fühlen sich besonders die Mitarbeiter/innen in der Beeinflussung des Raumklimas insgesamt etwas freier (siehe Tabelle 14-3).
Die Bewohner/innen des Betreuten Wohnens nehmen allgemein die Möglichkeiten der Beeinflussung war und empfinden damit einen größeren Handlungsfreiraum.
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Einflussmöglichkeit
Hoch
Gering
Insgesamt
BW
MA
14,9 % 45,4 %
42,0 % 45,4 %
ILW
BW
27,3 %
52,7 %
MA
42,9 %
43,6 %
H2
BW
47,1 %
41,2 %
MA
76,9 %
15,4 %
AWH/BAW
BW
61,3 %
25,8 %
Tab. 14-3: Wahrnehmung der persönlichen Einflussmöglichkeit
Die Ergebnisse zeigen, dass bei einigen Fragestellungen zum Teil keine Angaben gemacht
wurden, wobei die Tendenz gegen Ende der Befragung zunimmt. Allgemein lässt dies zum
einen auf Verständnisschwierigkeiten während der Befragung oder auf fehlendes Interesse
gegenüber der Thematik schließen. Bezüglich der Gebäudenutzung von Mitarbeiter/innen
können fehlende Angaben zudem durch den Aufenthalt in unterschiedlichen Gebäuden und
damit einer fehlenden Zuordnungsmöglichkeit bedingt sein. Die zunehmend fehlenden Angaben gegen Ende des Fragebogens deuten darauf hin, dass aufgrund der Konzentrationsfähigkeit eine umfangreichere Befragung ausgeschlossen werde sollte.
In der Umfrage wurden den Befragten an verschiedenen Stellen die Möglichkeit zur freien
Äußerung und Stellungnahme geboten. Dabei wurde ganz allgemein nach Änderungsbedarf
zur Verbesserung der Gesamtsituation und spezifisch in Bezug auf die Gebäudenutzung
gefragt. Es wurden keinerlei formale oder inhaltliche Vorgaben gemacht, sodass von einzelnen Personen auch Mehrfachnennungen oder auch Angaben losgelöst von der Gebäudenutzung (z. B. zum allgemeinen Arbeitsklima) erfolgten.
Ausgewertet wurden ausschließlich freie Textäußerungen mit Bezug zu Gebäude- und
Raumklima sowie zur Gebäudenutzung und Technik. Hierbei sind von den Mitarbeiter/innen
lediglich 42 % der Äußerungen zur Gebäudenutzung und 16 % zum Raumklima gemacht
worden. Die Bewohner/innen nehmen mit insgesamt 43 % der Angaben Bezug zur Gebäudenutzung und Klimatik (z. B. Luftfeuchtigkeit und Luftzug). Zusammenfassend werden im
Folgenden die wesentlichen Inhalte aufgeführt, wobei eine hohe Übereinstimmung zwischen
Mitarbeiter/innen und Bewohner/innen besteht:
-
-
Große schwergängige Fensterflügel erfordern einen hohen beidhändigen Kraftaufwand zur Nutzung der freien Lüftung. Aus diesen Gründen gelingt es den Bewohner/innen zum Teil nicht, die Fenster richtig zu schließen, sodass ungewollt Energieverluste auftreten (ILW).
Die komplexe Licht- und Temperatursteuerung bedingt Fehleingriffe und Frustration
in der Nutzung (ILW).
Die Trägheit der Fußbodenheizung schränkt die Nutzerakzeptanz ein, da eine direkte
Reaktion auf den Eingriff ausbleibt (ILW).
Geringer Luftaustausch bzw. –durchströmung einzelner Räume (ILW, H2,AWH).
Geringe Luftfeuchtigkeit im Gebäude 9 (ILW).
Der Nutzereingriff wird v.a. für die Bewohner/innen durch schwer bedienbare Taster
und Schalter eingeschränkt (ILW, H2).
Im Hinblick auf die Realisierung eines möglichst hohen Wohlbefindens der Bewohner/innen
und Mitarbeiter/innen konnten in den Fragebögen Verbesserungspotenziale genannt werden.
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Die Vorschläge der Mitarbeiter/innen umfassen zum einen die Benachrichtigung der Bewohner/innen über regelmäßige z. B. monatliche Verbrauchsinformationen, um mit kontinuierlichen Rückmeldungen zum persönlichen Verhalten die Motivation einer energieeffizienten
Verhaltensänderung zu erhöhen. Zum anderen werden bessere Möglichkeiten des individuellen Eingriffs in die natürliche Lüftung (kleine Fensterflügel) und Temperierung (Heizkörper
statt Fußbodenheizung) des Raumes thematisiert. Die Verbesserungsvorschläge der Bewohner/innen beinhalten in erster Linie Aspekte der Raumgestaltung und des Nutzerverhaltens. Dabei wird zum Beispiel die überflüssige Nutzung der elektrischen Beleuchtung im ILW
angesprochen. Die Kritik im AWH hängt im Wesentlichen mit der durch die Baumaßnahmen
bedingte Ausnahmesituation zusammen. Einen weiteren Aspekt stellt der Waschraum mit
der Forderung nach einer regelmäßigen Lüftung um das Auftreten von Feuchteflecken zu
vermeiden.
14.4 Fazit und Schlussfolgerungen
Die allgemeine positive Einstellung aller Beteiligten gegenüber der Umfrage sowie die umfassende Unterstützung durch das Bürgerheim Biberach in der Ausführung der Befragung
durch die Ausgabe der Fragebögen trugen im Wesentlichen zum hohen Rücklauf der Antwortbögen bei.
Im Rahmen der Befragung und Auswertung zeigten sich Verständnisschwierigkeiten bei einzelnen wenigen Fragestellungen. Die betreffenden Formulierungen wurden daraufhin verbessert, sodass jetzt durchgängig eine einfache und gut verständliche Formulierung des
Fragebogens vorliegt (siehe Anlage A 11), was in künftigen Anwendungen die Antwortbereitschaft und Antwortquote noch weiter erhöhen sollte.
Insgesamt zeugen die inhaltlichen Antworten der Umfrage aufgrund größtenteils positiver
Rückmeldungen von einer hohen Zufriedenheit bei Mitarbeiter/innen und Bewohner/innen in
nahezu allen abgefragten Aspekten des Arbeitens und Wohnens.
Ablauf und Ergebnisse der Umfrage erfüllten die in sie gesetzte Erwartung, aussagekräftige
Ergebnisse sowie konkrete Hinweise auf Optimierungspotenziale zu erhalten.
Aus der Auswertung der Befragung, d. h. den Antworten (Ankreuzen) auf die vorgegebenen
Fragen und den freien Nennungen lassen sich die folgenden Verbesserungsvorschläge hinsichtlich der Gebäudenutzung und der gebäudeklimatischen Gegebenheiten für die hiervorliegende Nutzung ableiten, die teilweise im Bestand umsetzbar sind und darüber in Planungsvorgaben für künftige Vorhaben einfließen sollten:
-
Die natürliche Lüftung ist über kleine, gut erreichbare (Fenster-) Öffnungsflächen zu
realisieren. Dabei ist besonders auf Einschränkungen der Beweglichkeit und des
Kraftaufwands der Bewohner/innen Rücksicht zu nehmen. Große und schwer zu betätigende Fensterflügel, wie sie z. B. im Gebäude 9 (ILW) vorhanden sind, erfüllen
diese Anforderung nur eingeschränkt.
-
Die Schalter und Taster als Schnittstelle zwischen Mensch und technischer Gebäudeausrüstung sind nutzerfreundlich und im Hinblick auf alters- und krankheitsbedingte Einschränkungen auszulegen. Kriterien hierbei könnten z. B. die Höhe und Er-
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reichbarkeit, die Gestaltung in Größe und Verständlichkeit (Symbolik/Beschriftung)
sowie die taktilen Eigenschaften (Druckpunkt & Schalterreaktion).
-
Im Wohnbereich wird ein Nutzereingriff in die Beheizung durch schnell reagierende
Systeme bevorzugt. So sollte z. B. eine Fußbodenheizung zur Abdeckung des
Grundwärmebedarfs dienen und durch ein schneller reagierendes System zur Spitzenbedarfsabdeckung (z. B. Heizkörper) ergänzt sein.
-
Gewährleistung eines optimalen Raumklimas bezüglich Temperatur, Luftqualität und
Luftfeuchtigkeit, ausgelegt nach Kriterien der Behaglichkeit und Energieeffizienz sowie nach Belangen des Feuchteschutzes (Waschräume).
-
Ein über die Umfrage hinaus gehender Ansatz umfasst grundsätzlich die möglichst
einfache und adäquate Gestaltung der Alltagstechnik, um die Selbstständigkeit älterer oder kranker Menschen weitestmöglich zu gewährleisten. Eine einfache Umsetzung stellt hierbei z. B. der “Alles-aus-Knopf“ dar. So können beim Verlassen der
Wohnung sämtliche Elektrogeräte gleichzeitig ausgeschaltet werden [14-4].
Literatur- / Quellenangaben:
[14-1] Buchgraber, Ilse: Bürgerheim Biberach – Schriftliche Befragung der Bewohner/innen,
Angehörigen und Mitarbeiter/innen; Belegung sichern; Oktober 2011
[14-2] Nutzerbefragung – Verein für Rehabilitation psychisch Kranker e.V. Mönchengladbach; Stand 25.02.2013:
www.rehaverein-mg.de/images/stories/Aktuelles/Nutzerbefragung_2011_BeWo.pdf;
[14-3] Grossauer, Elke: Nutzerzufriedenheit in Bürogebäuden – Eine Feldstudie; Analyse
von Zusammenhängen zwischen verschiedenen Komfortparametern am Arbeitsplatz;
Januar 2008; Universität Karlsruhe;
[14-4] Reckert, Bettina: Viele Senioren wünschen simple Technik im Alltag; VDI Nachrichten; Berlin; 25.01.2013
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15. Thermisch-energetische Detailanalysen zur Sanierung von Gebäudehüllen (Hochschule Biberach)
15.1 Wärmebrückenberechnungen
In den Zeitraum der Projektbearbeitung fiel der Beginn der energetischen Sanierung von
Gebäude 1. Als Sanierungsziel ist vorgesehen, für den Wohnbereich des Hochhauses den
Standard eines KfW-Effizienzhauses 55 zu erreichen. Anhand der vorgelegten Planungsdetails zur Ausführung von Wärmebrücken wurden detaillierte Wärmebrückenberechnungen
durchgeführt, siehe z. B. Attikaanschluss Bild 15-1.
Bild 15-1: Temperaturfarb- und Isothermendarstellung zur Wärmebrückenberechnung der Attikaausführung
Die Wärmebrückenberechnungen dienten der Analyse potenzieller Schwachstellen an den
geplanten Ausführungsdetails. In der Vorgehensweise wurden konstruktiv gleiche Wärmebrücken, die sich nur in einzelnen wärmetechnischen Details unterscheiden, zusammengefasst und nach einer Vorbewertung die jeweils ungünstigste Ausführung repräsentativ berechnet. Die Ergebnisse sind in Anlage 2 zusammengefasst. Keine der untersuchten Wärmebrücken erwies sich hinsichtlich einer zu geringen Oberflächentemperatur als kritisch. Zur
Gesamtbewertung der Wärmebrückensituation an der geplanten Gebäudehülle wurden auf
Grundlage der Wärmebrückenberechnungen die folgenden Festlegungen und Vereinfachungen getroffen:


Die angegebenen Längen der Wärmebrücken wurden im Rahmen der Bewertung
grob aus den zum Bearbeitungszeitpunk vorliegenden Planunterlagen ermittelt und
beinhalten jeweils alle zusammengefassten Wärmebrückenausführungen.
Bei den Berechnungen von Wärmebrücken mit Fensteranschlüssen liegt das Rohbaumaß zugrunde.
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


Fußbodenaufbauten sind in den Berechnungen nicht berücksichtigt. Bei Berücksichtigung ergibt sich eine Verbesserung der Wärmebrückensituation und damit ein geringerer -Wert. Die Vernachlässigung der Fußbodenaufbauten stellt also einen konservativen Ansatz dar.
Für eine qualitative Bewertung wurde die Summe der zu den einzelnen Wärmebrücken berechneten Leitwerte auf die im Wärmeschutznachweis angegebene wärmeübertragende Hüllfläche bezogen.
In der Gesamtsumme wurden als konservativer Ansatz nur die Wärmebrücken mit
positivem -Wert berücksichtigt.
Der so gebildete Wert entspricht in Anlehnung an die EnEV 2009 [15-1] einem für das Gebäude ermittelten Wärmebrückenzuschlag auf den auf die wärmeübertragende Hüllfläche
bezogenen, spezifischen Transmissionswärmeverlust. Im vorliegenden Fall wurde für das
Hochhaus von Gebäude 1 dieser Zuschlag mit ≤ 0,02 W/(m²K) ermittelt.
Der so berechnete Wert liegt unter dem Wärmebrückenzuschlag von UWB = 0,05 W/(m²K),
wie er bei einer mit Beiblatt 2 der DIN 4108 [15-2] übereinstimmenden bzw. dazu gleichwertigen Wärmebrückenausführung pauschal im Wärmeschutznachweis gemäß EnEV 2009
angesetzt werden darf. Der standardmäßige Wärmebrückenzuschlag ohne zusätzlichen
Nachweis beträgt dagegen pauschal 0,10 W/(m²K). Qualitativ ist damit die geplante Ausführung der Gebäudehülle hinsichtlich der Wärmebrücken als dem Sanierungsziel entsprechend
und gegenüber dem Standard als deutlich überdurchschnittlich zu bewerten. Hinsichtlich des
Wärmeschutznachweises gemäß EnEV 2009 ist der Ansatz eines reduzierten Wärmebrückenzuschlags von UWB = 0,05 W/(m²K) nur zulässig, wenn ein Übereinstimmungs- und
Gleichwertigkeitsnachweis zu den Details in [15-2] für alle Wärmebrücken am Gebäude möglich ist. Sollte dies nur für eine Wärmebrücke nicht möglich sein, so ist eine detaillierte Berechnung des spezifischen Wärmeverlustes über die Wärmebrücken am gesamten Gebäude
erforderlich und entsprechend in die Monatsbilanzierung dann einzurechnen [15-3].
Der Vergleich des über die Wärmebrückenberechnungen ermittelten hüllflächenbezogenen
Wärmebrückenzuschlags für Gebäude 1 mit dem im Nachweis gemäß EnEV angesetzten
pauschalen Zuschlag von UWB = 0,05 W/(m²K) ergibt, dass der berechnete Wert unter dem
Pauschalansatz des geführten Nachweises liegt. Weiterführende Informationen zur Durchführung von Übereinstimmungs- und Gleichwertigkeitsnachweisen und zur Aufstellung eines
detaillierten Wärmebrückennachweises finden sich in [15-3].
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15.2 Klimaanalyse und thermisch-energetische Gebäudesimulation
Das thermisch-energetische Verhalten eines typischen Wohnbereichs im Hochhausteil von
Gebäude 1 in Abhängigkeit vom Klima am Standort wurde in einer thermischen Gebäudesimulation mit dem Programm TRNSYS 17 analysiert. Die zugehörigen Analysen und Simulationen sind in der Bachelorarbeit von Jan-Michael Schaub [15-4] detailliert beschrieben und
dokumentiert.
Als Vorarbeit zur Gebäudesimulation wurde das Klima am Standort Biberach anhand langjähriger Wetterdaten analysiert und mit für die betreffende Region geltenden Testreferenzjahren, die im Laufe der Zeit in mehreren Generationen für Deutschland entwickelt wurden,
verglichen. Diese Analyse erlaubt zum einen die Auswahl der Testreferenzjahre, die mit dem
gegenwärtigen Klima am Standort am besten übereinstimmen. Zum anderen lassen sich aus
dem Trend der Klimaentwicklung am Standort sowie aus den für die Zukunft prognostizierten
Testreferenzjahren die Auswirkungen des langfristig zu erwartenden Klimas auf den Energieverbrauch sowie auf die sommerlichen thermischen Konditionen im Gebäude ableiten.
In Bild 15-2 und Tabelle 15-1 ist die Entwicklung der Monats- und Jahresmittelwerte der Außentemperatur der für den Standort repräsentativen Wetterwarte Süd für die 24 Jahre von
1988 bis 2011 dargestellt. Eindeutig ist der Trend einer Erwärmung im Jahresmittel zu erkennen, der mit 0,0322 K pro Jahr einer Erwärmung um 0,8 K in einem Vierteljahrhundert
entspricht. Diese Erwärmung im Jahresmittel ist in erster Linie auf wärmere Übergangszeiten
und Sommer zurückzuführen, siehe die Monate April bis Juli und September bis November
in Tabelle 15-1. Die anderen Monate (v. a. Winter) weisen praktisch konstante oder sogar
leicht abfallende Außentemperaturen auf.
Bild 15-2: Entwicklung der Außentemperaturen in Bad Schussenried (1988 – 2011), aus [15-4]
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Monat
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Trend K/a -0,050 -0,006 -0,030 0,151 0,033 0,128 0,023 -0,004 0,053 0,011 0,089 -0,007
Tab. 15-1: mittlere jährliche Temperaturveränderung in Bad Schussenried (1988 - 2011), aus
[15-4]
Diese Wetterdaten repräsentieren in ihrer Gesamtheit über 24 Jahre das gegenwärtige Klima
am Standort. Sie lassen sich somit für einen Vergleich mit den Klimadaten der für die Region
verfügbaren Testreferenzjahre heranziehen. Dieser Vergleich zeigt, dass die neuen, vom
Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) beim Deutschen Wetterdienst
(DWD) in Auftrag gegebenen und 2011 veröffentlichten Testreferenzjahre [15-5], das Klima
am Standort am besten wiedergeben, siehe Bild 15-3. Diese Daten sind damit für energetische Analysen und Simulationen am Standort Biberach zu empfehlen. Sie beruhen auf
Messdaten der Jahre 1988 bis 2007.
Bild 15-3: Vergleich der Monatsmittelwerte der Außentemperatur der Wetterwarte Süd (WWS)
mit den neuen Testreferenzjahren (1998-2007, Klimazone 13, mittleres Stadtgebiet, 533 m) des
BBSR/DWD [15-5], aus [15-4]
Eine Auswertung von jährlichen Außentemperaturdaten im Hinblick auf den damit verbunden
Heizwärmebedarf ist mit Hilfe von Gradtagen möglich. Bild 15-4 enthält die mit einer Innenraumtemperatur von 20 °C und einer Heizgrenztemperatur von 15 °C auf der Grundlage der
Außentemperaturen der Wetterwarte Süd gebildeten jährlichen Gradtage (GT20/15) für die
Jahre 1988 bis 2011.
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6.000
Gradtage20/15 von 1988 - 2011 WWS
9,5
8,5
7,5
5.000
Gradtage in Kd
10,5
y = 0,0322x + 8,3152
R² = 0,1465
y = -10,354x + 4116,1
R² = 0,1081
4.000
6,5
5,5
4,5
3.000
3,5
2.000
2,5
1,5
1.000
Außenlufttemperatur in °C
7.000
0,5
-0,5
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
0
Gradtage
Linear (Gradtage)
Jahre
Jahresmittel θaußen
Linear (Jahresmittel θaußen)
Bild 15-4: Gradtage ermittelt aus den Messwerten der Wetterwarte Süd (WWS), aus [15-4]
Entsprechend dem Trend zur Erwärmung zeigen die Gradtage eine um ca. 0,25 % p. a. abnehmende Tendenz. Der Mittelwert der dargestellten Gradtage beträgt 3.987 Kd/a.
Das als repräsentativ empfohlene mittlere Testreferenzjahr 1988-2007 des BBSR/DWD [155] weist mit 4.091 Kd/a einen nahezu übereinstimmenden Wert der Gradtage auf (Abweichung + 2,6 %). Aus dem zugehörigen für 2021-2050 prognostizierten mittleren Testreferenzjahr ergibt sich ein um knapp 11 % niedrigerer Wert von 3.644 Kd/a.
Die TRNSYS-Simulationen des Ausschnitts von Gebäude 1 mit den beiden mittleren Testreferenzjahren 1988-2007 und 2021-2050 ergeben spezifische Heizwärmebedarfe für die
Räume von 21,6 bzw. 18,6 kWh/(m²NGFa), also eine Abnahme um knapp 14 % beim prognostizierten künftigen Klima.
Für die thermisch-energetischen Gebäudesimulationen wurde ein Bereich mit nach Süden
ausgerichteten Wohnungen im 8. Obergeschoss (Dachgeschoss) von Gebäude 1 ausgewählt und in 11 Simulationszonen abgebildet, siehe Bild 15-5.
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Bild 15-5: Zonierung des simulierten Bereichs von Gebäude 1, aus [15-4]
Neben der Ermittlung der Heizenergiebedarfswerte lag ein Hauptaugenmerk bei den Simulationen auf den sommerlichen Temperaturverhältnissen in den Räumen beim derzeitigen sowie künftig zu erwartenden Klima unter verschiedenen Randbedingungen.
Es zeigte sich, dass in dem künftig hoch wärmegedämmten Gebäude mit nicht unerheblichen inneren Lasten aufgrund der zu erwartenden durchgehenden Belegung (betreutes
Wohnen) der Sommer der kritische Lastfall sein wird.
Ausgangspunkt der simulationstechnisch untersuchten Varianten ist der folgende Basisfall:
 durchgehender Betrieb der Wohnungslüftungsanlage mit einer auf mindestens 22 °C
gehaltenen Zulufttemperatur und 0,5 h-1 Luftwechselrate
 darüber hinaus keinerlei Fensterlüftung, lediglich Infiltration
 manuell bedienter Sonnenschutz, der oberhalb 250 W/m² Globalstrahlung auf das betreffende Fenster geschlossen und danach bei Unterschreiten von 200 W/m² wieder
geöffnet wird.
Mit diesen Randbedingungen, die noch nicht auf eine sommerliche Raumtemperaturbegrenzung hin optimiert sind, ergibt sich für alle verwendeten Testreferenzjahre eine sehr hohe
Anzahl an jährlichen Überhitzungsstunden mit Raumtemperaturen über 26 °C, siehe Bild 156.
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Bild 15-6: Simulationsergebnisse in Abhängigkeit von den Testreferenzjahren, aus [15-4]
Zur Verbesserung des sommerlichen Raumklimas wurden folgende Optimierungsmaßnahmen untersucht:
 Öffnung der Innenfenster zwischen Loggia und angrenzendem Wohnraum
 Automatisierung des Sonnenschutzes (Absenkung der Schaltschwellen auf 180/150
W/m²)
 nächtliche Fensterlüftung mit 1,0 h-1 Luftwechselrate, wenn der betreffende Raum
am Vorabend wärmer als 26 °C ist
 Absenkung der Zulufttemperatur auf minimal 16 °C durch Bypass der Wärmerückgewinnung.
Die in Bild 15-7 und Bild 15-8 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass im Sommer die Innenfenster zwischen Wohnräumen und Loggias geschlossen bleiben sollten, da ein Öffnen die
thermischen Verhältnisse verschlechtert. Alle anderen Maßnahmen wirken sich – unterschiedlich stark – positiv aus und sind in der Gesamtheit, d. h. als kombinierte Anwendung,
zu empfehlen.
Noch nicht in den Simulationen enthalten sind eine manuelle Fensterlüftung im Sommer zusätzlich zur mechanischen Lüftung sowie die (über ein Leerteil im Lüftungsgerät vorgehaltene) Möglichkeit der Nachrüstung eines Kühlregisters zur aktiven Kühlung der Luft in der Lüftungsanlage.
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Bild 15-7: Simulationsergebnisse der Optimierungsvarianten mittleres Testreferenzjahr
BBSR/DWD 1988-2007, aus [15-4]
Bild 15-8: Simulationsergebnisse der Optimierungsvarianten mittleres Testreferenzjahr
BBSR/DWD 2021-2050, aus [15-4]
Empfehlungen
Aus den Ergebnissen und Auswertungen der durchgeführten Klimaanalysen und Gebäudesimulationen lassen sich die folgenden Empfehlungen ableiten:

Das gegenwärtige Klima am Standort Biberach lässt sich mit den zugehörigen neuen
Testreferenzjahren des BBSR/DWD 1988-2007 korrekt wiedergeben und kann daher
für die Anwendung empfohlen werden.

Der Trend zu Klimaerwärmung ist am Standort Biberach im letzten Vierteljahrhundert
deutlich messbar. Die in den neuen Testreferenzjahren des BBSR/DWD für 20212050 prognostizierten künftigen Klimabedingungen lassen einen Rückgang der jährlichen Heizgradtage um ca. 10 % erwarten, die durchgeführte Gebäudesimulation
ergab einen rechnerischen Rückgang des Heizwärmebedarfs um knapp 14 %.
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Bei der weiteren Planung der Wärmeversorgung (Auslegung, Wirtschaftlichkeitsbetrachtung) sollte deshalb ein für die Zukunft zu erwartender Rückgang des Heizwärmebedarfs aufgrund höherer Außentemperaturen berücksichtigt werden.

Der Trend zu höheren Außentemperaturen führt zu einer höheren sommerlichen Belastung der Gebäude. Diese zukünftig zu erwartende Entwicklung kann grundsätzlich
kritisch sein, wird aber bisher bei der Gebäudeplanung und -auslegung häufig nicht
bzw. nur unzureichende berücksichtigt. Der Betrieb aller Gebäude im Bürgerheim
sowie die Planung aller weiteren Umbau- und Sanierungsmaßnahmen sollte deshalb
auch im Hinblick auf die zukünftige Klimaentwicklung untersucht werden.

Für das konkret untersuchte Gebäude 1 sind folgende Maßnahmen zur Verbesserung
des zu erwartenden sommerlichen Raumtemperaturverhaltens erforderlich bzw. zu
empfehlen:
- Absenkung der Zulufttemperatur der Lüftungsanlage im Sommer (im ersten Schritt
ohne aktive Kühlung), soweit es die Außentemperatur und die (aus Behaglichkeitsgründen) einzuhaltende minimale Einblastemperatur in die Räume zulässt
- natürliche Kühlung durch Fensterlüftung in Nächten und auch tagsüber von überwärmten Räumen, wenn die Außentemperatur niedriger liegt als die Raumtemperatur
(kein „Verbot“ der Fensteröffnung aufgrund der vorhandenen Lüftungsanlage, wie es
mitunter ausgesprochen wird)
- konsequentes Schließen des Sonnenschutzes im Sommer, ggf. Nachrüstung einer
automatischen Steuerung in Abhängigkeit von Einstrahlung und ggf. Temperatur (eine windabhängige Sicherheitssteuerung ist bereits vorhanden)
- falls die vorgenannten Maßnahmen langfristig nicht ausreichen, kann eine aktive
Kühlung der Zuluft nachgerüstet werden. Eine entsprechende Vorhaltung ist in der
geplanten RLT-Anlage vorhanden.
- Monitoring der Raumtemperaturen im Gebäude, um die genannten Optimierungsmaßnahmen auszuwählen und auf ihre Wirkung hin beurteilen zu können.
Danksagung
Die detaillierte Analyse der realen Wetterdaten und Klimadaten am Standort war in der vorliegenden Form nur möglich, weil die Wetterwarte Süd umfassende langjährige Messdaten in
digitaler Form unentgeltlich zur Verfügung stellte. Die HBC bedankt sich herzlich für dieses
Entgegenkommen und die geleistete Unterstützung.
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Literatur
[15-2] DIN 4108 Beiblatt 2:2006-03: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden –
Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele; Beuth Verlag, Berlin 2006
[15-3] Deutsche Energie-Agentur dena: Wärmebrücken in der Bestandssanierung. Leitfaden für Fachplaner und Architekten;, Berlin 2008
[15-4] Schaub, Jan Michael: Simulation des thermischen Energiebedarfs und sommerlichen Temperaturverhaltens eines sanierten Altbaus für betreutes Wohnen; Bachelorarbeit, Januar 2013; Hochschule Biberach
[15-5] Internetpräsenz des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung:
Aktualisierte und erweitere Testreferenzjahre (TRY) von Deutschland für mittlere und
extreme Witterungsverhältnisse.
http://www.bbsr.bund.de/cln_032/nn_112742/BBSR/DE/FP/ZB/Auftragsforschung/5
EnergieKlimaBauen/2008/Testreferenzjahre/03__ergebnisse.html#doc972488bodyTe
xt5 (10.12.2012)
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16. Aktueller Stand der Umsetzung (@ssmann gruppe)
16.1 Gebäude 1: Umbau und Sanierung zu einem KfW-Effizienzhaus
Gebäude 1 setzt sich auch nach Sanierung und Umbau weiterhin aus vier Gebäuden/abschnitten zusammen: Wohnhochhaus (Abschnitt A), Teil der Piazza, der ehemaligen alte
Eingangshalle (Abschnitt B), Restaurant und Cafe, ehemaliger Speisesaal (Abschnitt C) und
Küche (Abschnitt D). Die Gebäudeabschnitte A bis C stammen aus dem Jahre 1971. Diese
werden umgebaut und energetisch saniert, der Küchentrakt aus dem Jahre 1989 ist nicht
von den Baumaßnahmen tangiert.
Bild 16-1: Vier Gebäudeabschnitte im Bestand
Bild 16-2: Gebäudeabschnitt A, B und C
werden energetisch saniert und umgebaut
Im Gebäudeabschnitt A entstehen 43 Wohneinheiten. In den anderen drei Abschnitten befinden sich wie bereits erwähnt ein Cafe, ein Restaurant und die Küche. Im Untergeschoss der
vier Abschnitte sind die Kegelbahn, Werkstätten, Büros, die Heizzentrale, das Kühllager sowie Lagerflächen untergebracht. Erreichbar ist das Hochhaus weiterhin über den Anbau im
Norden 1B und über das Gebäude 2, das ebenfalls teilweise saniert und zur Piazza umgebaut bzw. umgenutzt wird. Von dieser großzügig angelegten und allgemein zugänglichen
Zone ist auch das neue öffentliche Restaurant und Café im ehemaligen Speisesaal 1C erreichbar. Auch in der Zukunft ist das Restaurant von der Terrasse im Süden direkt und dann
barrierefrei zugänglich. Der Küchentrakt bleibt wie bereits erwähnt als Gebäudeabschnitt 1D
unberührt.
Bild 16-3: Blick von Norden auf Abschnitt A
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Bild 16-4: Rechts: Gebäudeabschnitt 1B
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- Gebäudeflächen und- volumina
Die Summe der beheizten Nettogrundfläche beläuft sich auf insgesamt 5.124,25 m². Die beheizte Nettogrundfläche des Hochhauses mit 3.808 m² macht rund ¾ der Fläche des Gebäudes 1 aus. Das restliche Viertel setzt sich aus dem Gebäudeabschnitt B (Eingangsbereich)
mit 269 m², dem Gebäudeabschnitt C (Restaurant und Cafe) mit 703 m² und dem Gebäudeabschnitt D (Küche) mit 344 m² zusammen.
Alle vier Gebäudeabschnitte sind und bleiben unterkellert und zum Teil beheizt: In Abschnitt
A und B sind die Kellerräume unter dem Hochhaus unbeheizt. In Bauabschnitt C und D unter
dem Cafe und dem Restaurant und der Küche werden die nordorientierten Räume beheizt.
Es schließen sich unbeheizte Lagerräume im südorientierten Bereich an. Es finden diverse
Raumumnutzungen im UG statt.
- Änderung der Grundrisse und der Gebäudekompaktheit
Die Regelgeschosse im Hochhaus werden umgebaut, um den heutigen Wohnstandards hinsichtlich Wohnungsgröße, Barrierefreiheit und technischer Gebäudeausrüstung zu entsprechen. Die Kubatur des Gesamtgrundrisses und der Wohneinheitengrundrisse wird ebenfalls
optimiert. Die vier Schotten des Südbereichs wurde um eine fünfte ergänzt. In den fünf
Querwandabschnitten entstehen je drei Wohneinheiten. Die Grundrisse ähneln sich in der
Aufteilung: Wohn-, Koch- und Essbereich, Schlafen, Bad und je ein 6 m² großer Wintergarten. Die Wohnfläche der neuen Wohneinheiten für eine und/oder zwei Personen schwankt
zwischen 43,4 m² und 61,2 m². Zum Vergleich: Die Einheiten im Pflegeheim vor Sanierung
hatten eine Standardfläche von 20 m². Es bestand nur eine gemeinschaftlich genutzte
Dusch- und Bademöglichkeit pro Etage.
Bild 16-5: Hochhaus vor Sanierung
Bild 16-6: Modell Wettbewerb
Die Balkone werden Bestandteil der neuen Wohneinheiten, die zahlreichen Vor- und Rücksprünge an der Ostfassade entfallen durch den Anbau von Wintergärten. Der Grundriss des
Regelstockwerkes entspricht nun fast einem Rechteck, somit entsteht ein besseres A/VVerhältnis des Hochhauses. Das A/V- Verhältnis nach Sanierung beträgt 0,23.
@ssmann gruppe
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Bild 16-7: Ehemaliger Balkon (Quelle: HS
Biberach)
Bild 16-8: Blick in eine Wohneinheit
- Aufstockung
Das Hochhaus wird um eine Etage erweitert, von 7 auf 8 Stockwerke. In der eingeschossigen Aufstockung werden Penthouse-Wohnungen errichtet. Somit steigt die Anzahl der Geschosse im Hochhaus auf 9 plus Untergeschoss (UG), die drei anderen Gebäudeteile B-D
bestehen aus einem Geschoss +UG.
Bild 16-9: Schnitt Hochhaus
Bild 16-10: Penthouse-Wohnung im 8.OG
(Quelle: HS Biberach)
- Zeitplan
Seit dem Frühling 2012 laufen die Umbau- und Sanierungsmaßnahmen an Gebäude 1 nach
dem Siegerentwurf des interdisziplinären Architekten- und Ingenieurwettbewerb zum „Umbau
des Pflegeheims zum Senioren- und Gästezentrum“ im Jahre 2008. Im Erdgeschoss entsteht
zurzeit ein offener Dienstleistungsbereich mit Restaurant und Cafe etc., der alle Generationen zur Begegnung einladen soll. Die Verlegung der Wärmedämmung und Abdichtung auf
den Flachdächern, sowie der Fenstereinbau sind bereits erfolgt. Das Wärmedämmverbundsystem soll noch im Frühling 2013 angebracht werden. Die Trockenbauwände im Hochhaus
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sind seit Herbst 2012 fertiggestellt. Zurzeit (April 2013) findet der Innenausbau mit Einbau
der Wand- und Bodenbeläge statt. Die Rohinstallation Heizung, Lüftung, Sanitär und Elektroarbeiten wurde bereits ausgeführt.
1.Q
2012
2.Q
2012
3.Q
2012
4.Q
2012
1.Q
2013
2.Q
2013
J F M
A M J J A S O N D J F M
3.Q
2013
A M J J A S
Ausschreibung
Ausführung
Rückbau
Rohbau
Stahlbau
Flaschner, Dachabdichtung
Fenster, Sonnenschutz
Metalltüren,-fenster, Glaswand
Schlosser
Fassade 8. OG
Trockenbau Innenwände
HLS und Elektro
Aufzüge
Innenputz
Estrich
Fußbodenheizung
Fliesen
Parkett
Türen und Zargen
Maler
WDVS, wetterabhängig
Möblierung
Schließanlage
Beschilderung
Bauendreinigung
Außenanlagen
Schlussabnahme
Mängelbeseitigung
Tab. 16-1: Vereinfachter Bauzeitenplan Sanierung und Umbau Gebäude 1
(Grunddaten von JKLM - Büro für Architektur, Biberach)
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16.1.1 Maßnahmen an der Gebäudehülle und Baukonstruktion
- Gebäudehülle
Der spezifische, auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche bezogene Transmissionswärmeverlust (Ht`) beträgt 0,44 W/m²K. Der benötigte Wert um die KfW-Effizienzhaus 55
Anforderung zu erfüllen wäre 0,50 W/m²K. Der Ht´-Wert des EnEV 2009 Referenzgebäudes
beträgt 0,63 W/m²K.
Die Außenwände sollen ab Frühling 2013 ein 24 cm starkes Wärmedämmverbundsystem
aus Mineralwolle WLG 035 (Brandschutz) erhalten. Schienensysteme für die Befestigung der
Dämmplatten sind aufgrund des tragfähigen Untergrundes nicht notwendig. Der U-Wert sinkt
nach Sanierung auf 0,14 W/m²K. Kleinflächige Außenwandbereiche mit Hinterlüftung oder
mit reduzierter Dämmstärke werden „nur“ mit einer Dämmstärke von 20 cm WLG 035 versehen. Hier reduziert sich der U-Wert auf 0,17 und 0,18 W/m²K.
Es kommen hochgedämmte Fenster zum Einsatz, so dass die Fenster einen Uw-Wert von
unter 0,80 W/m²K erreichen. Die neuen Fenster wurden nach außen in die Dämmschichtebene versetzt.
Bild 16-11: Vertikalschnitt der Fenster mit
Bild 16-12: Winddichtigkeitsfolien außen
hochgedämmten Rahmen und Dreifachver-
verklebt
glasungen
Alle drei sanierten Gebäudeabschnitte besitzen ein Flachdach. Zwei der Fachdächer wurden
neu errichtet: einerseits durch Aufstockung des Hochhauses und anderseits wegen der zu
geringen resultierenden lichten Höhe beim Einbau von Lüftungsanlagen im Restaurantbereich. Im Flachdachbereich wird der Wärmeschutz durch durchschnittlich 20 cm (WLG 035)
EPS-Hartschaum-Dämmung auf etwa 0,17 W/m²K verbessert.
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Bild 16-13: Dämmung des Flachdaches
Die Kellerdecke hat einen U-Wert von 0,47 W/m²K. Es werden keine Dämmmaßnahmen
durchgeführt.
Außenliegende Rollläden ermöglichen den Sonnenschutz und tragen somit zum sommerlichen Wärmeschutz bei.
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16.1.2 Maßnahmen an der Haustechnik
Es erfolgt eine direkte Netzanbindung an die Hauptverteilung in der jetzigen Heizzentrale im
UG des Gebäudes 1. Das Zweileitersystem wurde im Zuge der Sanierung erneuert.
Die neuen Erzeuger werden erst ab Sommer 2014 realisiert. Bis dato sind noch die zwei bisherigen Erdgas-Kessel für die Beheizung und die Trinkwarmwasserbereitung im Einsatz. Es
kann eine Absenkung des Anschlusswertes für das Hochhaus von 456 auf 380 kW erfolgen.
Die berechnete Heizlast nach DIN EN 12831 des Hochhauses beträgt 379 kW. Die Reduzierung des Anschlusswertes korreliert mit der Absenkung der Vorlauftemperatur der Heizung.
Rohre und Armaturen in der Übergabestation erhalten eine verbesserte Dämmung.
Alle Heizkreise sind mit drehzahlgeregelten Hocheffizienz-Umwälzpumpen der Energieklasse A ausgerüstet. Eine Nachtabsenkung ist vorgesehen. Die Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sind auf 75°/40°C projektiert (Heizkörper 70°/50°C; Fußbodenheizung 45°/35°C; Trinkwassererwärmung 75°/50°C; Lüftung 70°/50°C). Die Verteilung der Stränge in die sechs
Steigschächte erfolgt unter der Decke im UG. An dem Schachtaustritt zu den Wohnungen
befindet sich der Fußbodenheizungsverteiler. Die Heizleitungen in den Wohneinheiten sind
schwarze Stahlrohre und Kupferrohre. In den Wohnungen sind Fußbodenheizungen eingebaut, nur im EG sind Heizkörper montiert. Die Regelung im Raum erfolgt über Raumthermostate (Einzelraumregelung). Ein hydraulischer Abgleich findet gemäß VDMI 24199 statt.
Bild 16-14: Fußbodenheizung wird verlegt
Bild 16-15: Anschlüsse Fußbodenheizung je
Wohneinheit und Raum
Die Warmwasserbereitung erfolgt wie vor der Sanierung zentral über Nahwärme, nach der
Erzeugererneuerung überwiegend regenerativ. Der 750 l Speicher wird außerhalb der thermischen Hülle im UG neben der heutigen Heizzentrale aufgestellt. Die Verteilung erfolgt unter der Decke im UG und senkrecht über sechs Steigschächte; an dem Schachtaustritt sind
die Wohnungen angeschlossen. Die Zirkulationspumpe ist eine Hocheffizienzpumpe der
Energieeffizienzklasse A (Grundfoss Alpha) mit einem Volumenstrom von 0,205 m³/h. Die
Regelung wird zentral vorgenommen, automatisiert ist die Legionellenschaltung.
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-Lüftung
Je nach Gebäudeabschnitt A, B oder C sind verschiedene Lüftungsanlagen installiert. Deshalb erfolgt die Beschreibung abschnittbezogen.
--Lüftung Abschnitt A Hochhaus Wohneinheiten
Die Heizleistung der Lüftung im Hochhaus beträgt 76 kW (Elektrische Leistung: Summe 3,3
kWel). Jede Wohneinheit besitzt eine kontrollierte Wohnraumlüftung, also eine Zu- und
Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung. Die Zu- und Abluftanlage führt einen Großteil der
Lüftungswärme ins Gebäude zurück. Sie benötigt aufgrund des doppelten Kanalsystems
jedoch mehr Strom für die Ventilatoren. Der Platzbedarf für die doppelte Kanalführung und
die Lüftungskanäle ist enorm.
Bild 16-16: Dachaufsicht Lüftungszentrale auf dem Flachdach des Hochhauses
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Die Lüftungs-Zentralgerät mit dem zentralen Wärmeübertrager ist auf dem Flachdach platziert worden. Die gefilterte Luft wird vom Dach über Zuluftkanäle mittels Zuluftdurchlässe in
die Wohnräume (Wohnen und Schafen) gebracht. Die Zuluft wird auf 22 °C vortemperiert
und über abgehängte Decken dem Wohn- und Schlafbereich zugeführt. Die Luftwechselrate
ist auf einen 0,5-fachen Luftwechsel hin ausgelegt.
Durch zwei Abluftdurchlässe in Bad und Küche wird die Abluft in der Nasszelle und der Küche abgesaugt und über Steigleitungen in die Zentrale auf dem Dach des Hochhauses
transportiert und zentral gesammelt. Der Gesamtluftvolumenstrom summiert sich auf 4.500
m³/h. Die Wärmerückgewinnung im Zentralgerät hat einen Wirkungsgrad 83,8% (Feuchte
55,4%). Im Wärmeübertrager kühlt sich die Abluft ab. Über Fortluftdurchlässe gelangt die
abgekühlte Fortluft dann ins Freie.
Geregelt wird die Lüftung über eine temperaturgeführte DDC-Regelung. Der Betrieb findet
von 5 bis 20 Uhr statt, danach erfolgt freie Nachtkühlung.
Bild 16-17: Grundriss einer Wohneinheit (TGA Planung)
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Bild 16-18: Zu- und Abluft-Kanal in einem
der 6 Schächte
Bild 16-19: Abluft wird in der Küche (und im
Bad) abgesaugt
Bild 16-20: Zwei Schalldämpfer für Zuluft
und für Abluft in der abgehängten Decke der
Nasszelle
Bild 16-21: Links Flur mit Zufluftkanal, rechts
im Küchenbereich wird die Abluft abgeführt
--Lüftung Abschnitt C Restaurant und Cafe
Um die Lüftungskanäle unterzubringen, musste das Flachdach im Restaurantbereich höher
gesetzt werden. Die Anforderungen als Restaurant-/Cafenutzung hinsichtlich der lichten
Raumhöhe hätten sonst baurechtlich nicht erfüllt werden können. Daraus folgten der Abriss
des Stahlbeton-Flachdaches und ein Neuaufbau mit einer Metallkonstruktion. Die kontrollierte Raumlüftung im Abschnitt C hat eine Leistung von 37 kW für die Heizung und 20 kW für
die Kühlung (Elektrische Leistung: 2,18 kWel.). Die Zuluft wird über abgehängte Decken (10
K unter Raumtemperatur) den Räumen zugeführt. Die Abluft wird über Schattenfugen abgesaugt. Die zentrale Teilklimaanlage mit Heizen, Kühlen und Wärmerückgewinnung ist auf
dem Dach des Restaurants untergebracht. Die Luftwechselrate wurde für 90 Personen ausgelegt mit 33 m³/h je Person. Daraus ergibt sich eine Gesamtleistung von 3.000 m³/h. Die
Wärmerückgewinnung WRG erfolgt über ein Rotations-Wärmeübertrager mit einem Wirkungsgrad von 81,3% (bei einer Feuchte von 53,8%). Die Regelung und der Betrieb erfolgt
über eine temperaturgeführte DDC-Regelung. Das Restaurant und das Cafe können getrennt zugeschaltet werden.
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Bild 16-22: Kein Platz für die neue Lüftung
Bild 16-23: Restaurantbereich mit neu
errichtetem Flachdach
--Lüftung Küche EG und Personalspeiseraum UG Abschnitt D
Die Zu- und Abluftanlage mit WRG aus dem Jahr 1989 im Pultdachraum über der Küche
wird nicht modernisiert. Es wird seit langem lediglich der Vorerhitzer verwendet. Die Nacherhitzer je Zone sind nie in Betrieb.
-Kühlung / Luftbehandlung
Ein zentraler Kaltwassersatz wird auf dem neuerrichteten Dach des Restaurants installiert.
Für die Raumlufttechnik im Restaurant, dem Cafe und für die Piazza werden Kennwerte von
51,8 kW Kälteleistung zugrundegelegt (7°/12 °C; 17 kWel. Anschlussleistung).
-Beleuchtung
Im Untergeschoss unter Restaurant und Küche befinden sich in den zehn Räumen Neonröhren mit einer Leistung von je 58 W. Dieses ergibt eine Gesamtleistung von 3.308 W. Diese
bleiben erhalten. In Abschnitt A, dem Hochhaus, muss man zwischen den Verkehrsflächen,
sprich Fluren, und den Wohneinheiten unterscheiden. Die horizontale Erschließung des Gebäudes (Flure) wird mithilfe von LED-Leuchten und Kompakt-LL64 + 51 mit einer Einzelleistung von 50 W und 55 W beleuchtet. Pro Etage wird eine Etagenleistung von 950W erreicht.
Dies ergibt bei acht Etagen insgesamt 7.600 W. Die zu installierende Beleuchtungsleistung
in den 43 Wohneinheiten steht noch nicht ganz fest. Im Zimmer bzw. den Zimmern und dem
Wohnungsflur und über dem Bett muss über die Beleuchtung noch entschieden werden, im
Bad soll eine Kompakt-Leuchtstoff-Lampe und eine Neonröhre montiert werden.
Nach der energetischen Berechnung mit dem Berechnungsprogramm EnerCalc ergibt sich in
Abschnitt A eine Leistung von 86 kW bzw. 21 W/m², in Abschnitt B (Piazza-Bereich) 4 kW
bzw. 13 W/m², in Abschnitt C (Cafe und Restaurant) 17 kW bzw. 22 W/m² und in Abschnitt D
(Küche) 18 kW bzw. 53 W/m².
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16.1.3 Flankierende Maßnahmen
Für die neuen Wasser- und Abwasserleitungen, neue Warmwasser- und Heizungsleitungen,
Lüftungsrohre und Elektroleitungen sowie Telekommunikationsleitungen mussten zahlreiche
Durchbrüche in den Decken hergestellt und Schächte eingebaut werden. Die neuen Grundrisse machten neue Innenwände notwendig. Diese wurden in Leichtbauweise errichtet. Die
vorhanden Innenwände sowie die Decken wurden neu verputzt.
Bild 16-24: Neue Innenwände
Bild 16-25: Neuer Innenputz
- Treppenhäuser
Um die heutigen Brandschutzanforderungen zu erfüllen, wurde ein zweites Fluchttreppenhaus errichtet. Über den beiden Treppenhäusern gibt es zwei neue RWA-Anlagen im Flachdach.
Bild 16-26: Neue, zweite Fluchttreppe
Bild 16-27: Installationsschächte
- Schallschutz
Im Zuge der Sanierung und des Umbaus findet eine Verbesserung des Schallschutzes (Trittund Luftschall) statt.
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- Vertikale Erschließung
Ein Aufzug stammt aus dem Jahre 2005 und bleibt erhalten. Der zweite wird neu installiert.
Bild 16-28: Neuer Aufzug
Bild 16-29: Neue Schächte mit neuen Zuund Abwasserkanälen
- Sanitäre Anlagen
Die Sanitärausstattung war veraltet und bedurfte einer Erneuerung. Die Rohrleitungen für
das Trinkwasser und das Abwasser werden modernisiert. Alle Sanitärgegenstände wie
Waschtisch, WC und Armaturen werden erneuert. Neben einem wandhängenden WC wurde
in jeder Wohneinheit eine barrierefreie Dusche eingebaut. Das Thema Wasserspartechnik
wurde bei der WC-Spülung und Waschtischarmatur berücksichtigt.
Bild 16-30: Nasszelle vor Sanierung
Bild 16-31: Neue geräumige Nasszelle: WC,
Waschbecken und Dusche
- Elektro
Die ursprüngliche Elektroinstallation war zum Großteil nicht mehr DIN-gerecht und für heutige Ansprüche unterdimensioniert. Die neuen Elektrosteigleitungen sind in Installationsschächten verlegt.
Quellen: Angaben Planungsbüro IB Bunse, EnerCalc-Berechnungsprogramm, NGF aus
dem Bauantrag, HHK- Werkgemeinschaft Architekten, Bauteilkatalog und KfW55-Nachweise
von GN-Bauphysik. Informationssammlung Haustechnik: Ebert-Ingenieure, München
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16.1.4 Energetischer Standard nach Sanierung
Das Hochhaus, der Wohnbereich ab dem 1.OG im Gebäudeteil A erreicht den KfW 55 Effizienzhaus-Standard. Die dazu durchgeführten Maßnahmen wurden in den vorigen Unterkapiteln erläutert. Die anderen Gebäudeabschnitte im Nicht-Wohnbereich A (Erdgeschoss) und
die Gebäudeabschnitte B und C werden entsprechend der EnEV 2009 (Bauteilverfahren)
und besser saniert.
2
Alle Angaben in kWh/m NGF * a
Benchmarks EnEV klimabereinigt
Verbrauch vor Sanierung klimabereinigt
Verbrauch nach Sanierung. Abschätzung aus Berechnungen und gebäudespezifischen Korrekturfaktoren
Wärme Wärme Wärme Strom
gesamt Heizung TWW
280
50
172
146
26
73
110
76
34
73
Tab. 16-3: Zusammenstellung spezifische Werte [kWh/m²NGFa] für das Gesamtgebäude 1. Dargestellt ist der Endenergieverbrauch am Gebäudeeingang, d.h. einschließlich gebäudeinterner
Verluste (Details zur Ermittlung siehe Schlussbericht Teil 1, S. 164ff)
Die erfassten Verbrauchswerte für das Gesamtgebäude 1 A - D vor Sanierung, bezogen auf
die beheizte Nettogrundfläche von 4.588,1 m², ergeben einen spezifischen Gesamtwärmeverbrauch von 172,2 kWh/m²a vor Sanierung. Mit der Bezugsfläche nach EnEV (Fläche An =
6.026,6 m²), würde der flächenspezifische Wert 131,1 kWh/m²a betragen. Beim spezifischen
Stromverbrauch ist es ähnlich: 72,7 kWh/m²a mit der beheizten Nettogrundfläche als Bezugsgröße und 55,3 kWh/m²a mit der Bezugsfläche nach EnEV.
Die energetische Sanierung führt voraussichtlich zu einer Reduktion des spezifischen Wärmebedarfs von 172 kWh/m²a auf 110 kWh/m²a für Heizung und Warmwasser, bezogen auf
die beheizte NGF. Dies entspricht 36 % Verminderung unter Annahme eines zukünftig höheren Wärmebedarfs für Warmwasser (34 statt 26 kWh/m2a aufgrund anderer Nutzerprofile).
Der Wärmebedarf für Raumheizung allein sinkt von 146 auf 76 kWh/m2a, also um etwa 50%.
Für den Strombedarf nach Sanierung übernehmen wir die belastbaren Messwerte vor Sanierung.
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16.2 Teilabriss Gebäude 2 und Anbau Servicecenter
Im Zuge der Sanierung und des Umbaus von Gebäude 1 wird auch der südliche Gebäudeflügel umgebaut. So entsteht hier ein neuer großzügiger Eingangsbereich für Gebäude 1 und
2. Das Erdgeschoss wird umfunktioniert in eine Piazza, über die auch das Cafe und das
neue Restaurant erschlossen werden. Der eingeschossige Anbau, Gebäudeabschnitt 2 D
wird abgerissen. Die somit entfallenden Mehrzweckräume entstehen neu in der ehemaligen
Cafeferia im Gebäudeabschnitt 2B.
Bild 16-32: Geb. 2 wurde gemäß Zählerstruktur in vier Abschnitte unterteilt (Stand
2011 vor Sanierung)
Bild 16-33: Gebäudeabschnitte nach Umbau
und Sanierung von Geb.1A-C. Der Anbau 2D
muss weichen (Stand 2012)
Im Untergeschoss des Gebäudeabschnittes 2 B bleibt die Kegelbahn erhalten. Im UG des
Bereiches 2B und 2C befinden sich auch weiterhin natürlich belichtete und belüftete Räume,
die nur zum Teil nach Sanierung umgenutzt werden. Hier sind Büroräume untergebracht für
den Sozialdienst, die Personalverwaltung und den ambulanten Pflegedienst.
Lüftung Geb. 2 Piazza und Mehrzweckbereich (+teilweise Geb. 1 Abschnitt B)
Auch hier wird eine kontrollierte Raumlüftung mit einer Heizleistung von 50 kW und einer
Kühlleistung von 23 kW (2,45 kWel) montiert. Die Zuluft wird den Räumen über abgehängte
Decken mit einer Zuluft-Temperatur von 22 °C zugeführt. Die Abluft wird über Schattenfugen
gesammelt. Der Standort der zentralen Teilklimaanlage mit Heizen, Kühlen und WRG ist im
UG von Gebäude 2 unter der Piazza, in der alten RLT-Zentrale. Die Luftwechselrate wurde
1,0-fach für den Piazza-Bereich und 6,0-fach für die Mehrzweckräume ausgelegt. Der Gesamtluftvolumenstrom summiert sich auf 3.900 m³/h. Die Wärmerückgewinnung mit einem
Rotations-Wärmetauscher hat einen Wirkungsgrad von 85,5% (bei einer Feuchte von
56,6%). Die Regelung erfolgt über eine temperaturgeführte DDC-Regelung. Lüftung und
Kühlung können über Schalter Ein/Aus in den Mehrzweckräumen betrieben werden.
Seit Ende 2012 ist außerdem die Entscheidung gefallen, auf dem ehemaligen Gelände von
Gebäudeabschnitt 2 D einen Servicecenter-Anbau zu errichten. Hier sollen verschiedene
Dienstleistungsbereich wie Friseur, Arztpraxis etc. untergebracht werden.
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Bild 16-34: Gebäudeabschnitt 2 B und C. Links: Planung Anbau Servicecenter im Südwesten
von Geb 2 (Stand März 2013). Rechts sind die neuen Mehrzweckräume erkennbar. Der Gebäudeabschnitt 2 A mit dem Wohnbereich ist in diesem Plan oben nur angeschnitten erkennbar.
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17. Zusammenfassung und Fazit
17.1 Vorbemerkungen
Im Förderkonzept EnEff:Stadt unterstützt der BMWi über seinen Projektträger PTJ umweltfreundliche, innovative und multiplizierbare Quartiersentwicklungen zur Verbesserung der
Energieeffizienz im kommunalen Bereich. Dabei sind drei Phasen zu unterscheiden:
1. Konzeption, Planung
2. Bauliche Realisierung, Inbetriebnahme und Betriebsoptimierung
3. Wissenschaftliches Messprogramm über 2 Jahre
Für das Bürgerheim Biberach wurde die von Oktober 2011 bis Februar 2013 laufende Konzeptphase abgeschlossen. Eine Beantragung der Phase 2, bauliche Realisierung und Phase
3, Monitoring, wird ins Auge gefasst.
17.2 Projektbeschreibung
Das Bürgerheim Biberach (BB) gehört zur seit 800 Jahren existierenden Stiftung „Der Hospital Biberach - Hospital zum Heiligen Geist“. Auf dem Bürgerheimareal befinden sich heute 11
Gebäude mit Nutzung als Altenpflegeheime, Altenwohnungen, Einrichtungen zur Tagesbetreuung, Kinderkrippe, Schule und Verwaltung. Das Gebäudealter differiert zwischen 3 und
ca. 130 Jahren, die energetische Qualität der Gebäude ist dabei höchst unterschiedlich.
Blick auf das Bürgerheim-Areal: Links unten die Grundschule, in der Mitte Gebäude 1 mit
Hochhaus, dahinter liegt der Neubau des Seniorenwohnhauses Gebäude 9
17.3 Zielrahmen des Vorhabens
Projektziel des BMWi-Modellvorhabens ist die Weiterentwicklung des Bürgerheimareals in
Biberach hin zu einer CO2-neutralen Wärmeversorgung unter Nutzung von Restholz aus
hospitälischem Waldbestand. Der Einsatz einer innovativen Kombination von regenerativen
Energiesystemen in einer Contractinglösung soll dabei eine Türöffnerfunktion für regenerative Energieerzeuger im kontinuierlich wachsenden Contractingmarkt bewirken und die MultiBürgerheim Biberach
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plikationsfähigkeit derartiger Konzepte stark verbessern. Durch die Kombination von direkter
elektrischer und thermischer Solarnutzung mit hocheffizienter Nutzung von Restholz zur
Wärme- und Stromerzeugung kann das Projekt einen übergeordneten Beitrag dazu leisten,
die nachfossile Zukunft mit dezentralen, regenerativen Energiekonzepten vorzubereiten.
Die energetischen Anstrengungen stehen dabei im Gesamtzielrahmen soziokultureller Innovationsansätze. Alte Menschen sollen nicht mehr in Ghettos ein- und von der Gesellschaft
ausgesperrt werden, sondern integriert in qualitätvolle Wohn-, Arbeits- und Freizeitwelten
leben können. Angesichts des stetig wachsenden Anteils älterer Menschen in unserer Gesellschaft geht dieser Zielrahmen weit über Energieeffizienz-Belange hinaus und zeigt Wege
in künftige, integrale Gesellschaftsstrukturen auf. Neben diesen übergeordneten Zielstellungen sieht das Bürgerheim auch ganz pragmatisch den Nutzen zukünftig geringer Heizkosten
und hoher Versorgungssicherheit.
Das 2010 errichtete Gebäude 9 führt architektonischen Anspruch und zukunftsorientiertes
Wohnen älterer Menschen in Wohngruppen zusammen
17.4 Entwicklungsperspektiven
Die beheizte Nettogrundfläche (NGF) der Gebäude auf dem Bürgerheimareal betrug zum
Zeitpunkt der Bestandsaufnahme Anfang 2010 etwa 17.500 m2. Bis zum Jahr 2020 werden
voraussichtlich 2 Gebäude abgerissen, 4 neu gebaut und mehrere saniert. Dadurch wird sich
die Nutzfläche auf 26.200 m2 erhöhen. Es ist expliziter Wunsch der Stiftungsverwaltung,
dass sowohl für die Sanierungen als auch für die Neubauten energetisch ambitionierte Standards realisiert werden, was einem Niedrigenergie-Gesamtkonzept entgegen kommt.
Erster Platz im Architektenwettbewerb 2011: KfW55-Sanierung des zentralen Gebäude 1
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Im Rahmen einer energieeffizienten Quartiersentwicklung soll auch das Wärmenetz des
Bürgerheims, das zurzeit mit zwei Gaskesseln versorgt wird, modernisiert und energetisch
optimiert werden. Die Wärmeerzeugung soll dabei möglichst auf regenerative Energien umgestellt werden. Ein Wunschziel des Bürgerheims ist es, zumindest für den Bereich Heizung
und Warmwasserbereitung eine bilanzielle CO2-Emissionsfreiheit zu erreichen.
Schematischer Lageplan des BürgerheimAreals mit Bestand (dunkel) und geplanten
Neubauten (hell), Stand 2010
Schematischer Lageplan des BürgerheimAreals für das Jahr 2020, Stand 2012
Voraussichtliche Entwicklung des Wärmenetzes Stand 2015 (links) und 2020 (rechts)
Die Stiftung „Der Hospital“ hat umfangreichen Waldbestand in ihrem Besitz. Allein das Abfallholz aus den bewirtschafteten Waldflächen würde für die Wärmeversorgung des Bürgerheims ausreichen. Das bei der Verbrennung von Holz anfallende hohe Temperaturniveau
wird exergetisch nicht optimal eingesetzt, wenn es nur zur Niedertemperatur-Wärmeversorgung der Raumheizung benutzt wird. Gleichzeitig ermöglicht eine hohe ganzjährige Grundlast im Wärmebedarf den wirtschaftlichen Einsatz von Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung.
Deshalb geht die Stoßrichtung der Planung zum Einsatz von Holz als Energieträger in einem
KWK-System, welches die Wärme-Grundlast abdeckt und dabei Strom produziert. Welche
Technologie dabei gewählt wird, bzw. ob dieser Grundgedanke in praktikabler Form umsetzbar ist, war ein zentrales Thema der bisherigen Projektarbeiten.
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17.5 Bestandsaufnahme und Prognose der Energiebedarfsentwicklung
In der Konzeptphase des Modellprojektes sind folgende Arbeitsschritte durchgeführt worden:
- Zunächst wurde eine detaillierte Bestandsaufnahme der Gebäude, des Wärmenetzes und
der Wärmeerzeugung im Ist-Zustand erstellt.
- Für die zu sanierenden Gebäude wurden Sanierungskonzepte vorgelegt, für mögliche Neubauten Energiestandards und Konzepte benannt. In der laufenden Sanierung des Zentralgebäudes fand eine Begleitung des Architektenwettbewerbes, der Planung und Durchführung statt. Mit Beratung des Projektes wurde der KfW55-Standard geplant und ausgeführt.
- Beim 2010 erstellten Gebäude 9 erfolgte zusätzlich zu den üblichen Messungen eine
Stromverbrauchsanalyse, welche den Ursachen des überhöhten Stromverbrauchs nachgeht. Dabei zeigten sich vor allem die Lüftungssysteme als Verursacher.
- Die Ermittlung von energetischen Quartierskennwerten erfolgte in drei Zeitschnitten: 2010
(Ist-Zustand), 2015 und 2020. Über mehrere Jahre gemessene Verbrauchswerte wurden
mit errechneten Werten abgeglichen. Die entstandenen Korrekturfaktoren konnten für die
Festlegung der Zielzustände 2015 und 2020 genutzt werden.
2010
2015
2020
Nutzfläche netzverbundener Gebäude (m2)
13.704
19.655
26.242
Wärme für Heizung und
Warmwasser (kWh/a)
2,15 Mio
2,22 Mio
2,79 Mio
Stromverbrauch
(kWh/a)
0,70 Mio
1,35 Mio
1,52 Mio
Kennzahlen für Nutzfläche und Energieverbrauchsentwicklung (Endenergie Gebäudeeingang)
- Im Ergebnis zeigt sich, dass die neue Energieversorgung auf das Jahr 2020 ausgelegt
werden sollte, da in diesem Vergleichsjahr das Verbrauchsmaximum liegt.
- Trotz einer Nutzflächenerhöhung der netzangeschlossenen Gebäude um 90 % erhöht sich
der Wärmeverbrauch nur um 30 %, aufgrund der Sanierungen und energetisch guter Neubaustandards. Flächenspezifisch geht der Wärmebedarf trotz steigenden Warmwasserbedarfs um etwa 30 % zurück. Der Stromverbrauch steigt von 2010 bis 2020 auf mehr als das
Doppelte an, aufgrund der Nutzflächenvergrößerung, anderer Nutzungsprofile, intensiverer
technischer Ausstattung der Haushalte und mehr Haustechnikstrombedarf.
- Für jedes Gebäude des Bürgerheimareals wurde anschließend aufgrund der Energiekennwerte und der Nutzung ein Jahreslastprofil erstellt. Die Summierung der Gebäudelastgänge
ergab die für die Energieversorgung relevanten Jahreslastgänge und Jahresdauerlinien des
Gesamtareals. Im Ergebnis zeigt sich unter anderem, dass ein hoher ganzjähriger Grundlastanteil den Einsatz einer Kraft-Wärme-Kopplung begünstigt. Eine vorläufige Beschreibung von entsprechenden Versorgungsalternativen rundete die erste Projektphase ab
.
Lastgänge und Jahresdauerlinien des Wärmebedarfs für das Bürgerheimareal im Jahr 2020
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17.6 Entwicklung und Bewertung von Energieversorgungskonzepten
In der zweiten Jahreshälfte 2012 hat das Projektteam die Versorgungsalternativen konkretisiert und verfeinert. Eine intensive Technik- und Marktrecherche zur Holz-KWK in kleinen
Leistungsklassen mit themenvertiefender Exkursion bildete dabei die Grundlage für weitere
Entscheidungen zur Holz-Kraftwärmekopplung.
Exkursion des Projektteams mit Bürgermeister Wersch und Forstamtsdirektor Beck zum Demeter-Hof in Herdwangen, Besichtigung der Holz-Kraftwärmekopplungsanlage und Diskussion
mit dem Betreiber
Die Entwicklung der Versorgungsalternativen folgte einem gestuften Ansatz. Eine kostengünstige, üblicherweise ausgeführte Gaskesselanlage sollte als Referenzvariante für die
innovativeren Ansätze dienen. Hackschnitzelheizungskonzepte wurden ganz ohne Kraftwärmekopplung (KWK), mit einem konventionellen Erdgas-Blockheizkraftwerk und mit innovativer holzbefeuerter Kraftwärmekopplung definiert. Die Kombination einer Hackschnitzelheizung mit Holz-KWK und einem Kollektorfeld für Solarwärme sollte die technisch weitgehendste und umweltfreundlichste Konzeptvariante markieren. Im Einzelnen kamen folgende
Energieversorgungskonzepte auf den Prüfstand:
Variante 0: Gas-Brennwertkessel (als Referenzvariante)
Variante 1: HHS-Kessel +Gas-Spitzenlastkessel +Solarthermie
Variante 2: HHS-Kessel +Gas-Spitzenlastkessel +Erdgas-KWK
Variante 3: HHS-Kessel +Gas-Spitzenlastkessel +Holz-KWK
Variante 4: HHS-Kessel +Gas-Spitzenlastkessel +Holz-KWK +Solarthermie
HHS: Holzhackschnitzel; KWK: Kraft-Wärme-Kopplung, Solarthermie: Solarkollektoren für solare Wärme
Untersuchte Varianten für die Energieversorgung des Bürgerheimareals
Nach einer Vordimensionierung aller Erzeugerkomponenten jeder Variante folgte die Ermittlung von Lastgängen und Jahresdauerlinien der Wärmebedarfsdeckung, welche das Zusammenspiel der verschiedenen Erzeuger abbilden. Diese Kenngrößen dienen als Basis für
die Berechnung von Investitions- Kapital- und Wartungskosten, Brennstoffbedarf, Energiekosten, Primärenergiebedarf und CO2-Emissionen. Einige Diagramme zeigen im Folgenden
die wichtigsten Ergebnisse dieser Untersuchung:
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Beispiel der Jahresdauerlinien für Variante 4: Der Jahreswärmebedarf wird durch ein HolzgasBHKW (grün) in Grundlast zu 23%, einen Hackgutkessel (gelb) zu 64%, einen Gas-Spitzenlastkessel zu 12% (blau) und ein kleines Solarthermiefeld (schwarz) zu 1 % gedeckt.
G-K: Gaskessel, H-K: Hackschnitzelkessel, G-KWK: Erdgas-Kraftwärmekopplung,
H-KWK: Hackschnitzel-Kraftwärmekopplung, Solar: Kollektoren für Solarwärme
Investitionskosten der Energieversorgungsvarianten. Unter Ansatz einer BMWi-Förderung liegen die innovativen Alternativen 3 und 4 mit Holz-KWK zwar Faktor 2,5 über der Referenzvariante 0, sind aber die kostengünstigsten der regenerativen Versorgungskonzepte.
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Anteile der verschiedenen Erzeuger an der Gesamtwärme-Bereitstellung. Die minimale regenerative Wärmebereitstellung erfolgt bei Referenzvariante mit 0 %, die maximale Nutzung von
regenerativen Energien bei Variante 4 mit 88 %
Flächenspezifischer fossiler Primärenergieverbrauch für die Wärmebereitstellung in kWh/m²a.
Dabei ist die Stromgutschrift der Kraftwärmekopplung berücksichtigt, d.h. der eingesparte Primärenergieverbrauch in den Kraftwerken aufgrund der Stromproduktion vor Ort. Von Variante
0 zu Variante 4 sinkt der fossile Primärenergieverbrauch um fast 90 %. Ergänzend kann festgehalten werden, dass der flächenspezifische Primärenergieverbrauch bei den Varianten 3 und 4
2
mit ca. 15 kWh/m a im Bereich erdgasbeheizter Passivhäuser liegt.
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Durch die Wärmebereitstellung verursachte CO2-Emissionen in Tonnen pro Jahr. Gelb: CO2Emissionen vor Ort. Schwarz: Mit bilanzierter Stromgutschrift durch Stromerzeugung der KraftWärme-Kopplung, die entsprechende CO2 Emissionen in den Kraftwerken verhindert. Die CO2
Emissionen sinken von Variante 0 auf Variante 4 um über 95 %. Ohne Kraftwärmekopplung
(nur Hackschnitzelheizung und Gaskessel, Variante 1) betragen sie etwa 35 % der Referenzvariante 0. Variante 2 mit Erdgas-BHKW liegt günstiger als Variante 1 ohne Kraftwärmekopplung.
Durchschnittliche Jahresvollkosten der ersten 10 Jahre (Euro)
ohne / mit Förderung
245.000
240.000
Jahresvollkosten
Jahresvollkosten mit BMWi-Förderung
235.000
230.000
225.000
220.000
215.000
210.000
205.000
200.000
195.000
V 0 (Referenz): G-K
V 1: H-K + G-K +
Solar
V 2: H-G + G-K +
G-KWK
V 3: H-K + G-K +
H-KWK
V 4: H-K + G-K +
H-KWK + Solar
Durchschnittliche Jahresvollkosten der ersten 10 Jahre ohne / mit BMWi-Förderung. Die Jahresvollkosten nach VDI 2067 beinhalten alle anfallenden Kosten (Abschreibung, Verzinsung,
Brennstoffkosten, Betriebsmittel, Instandhaltung, Personal, Schornsteinfeger, Wartung). Ohne
EnEff:Stadt-Förderung liegen Variante 3 und 4 am ungünstigsten. Hauptgrund dafür sind die
konservativ hoch angesetzten Wartungskosten der Holz-KWK mit 30.000 €/a. Bei einer EnEffStadt-Förderung sinken die Jahresvollkosten von Variante 3 und 4 auf das Niveau der vorher
günstigsten Variante 2 (Hackschnitzelheizung, Gaskessel und Erdgas-BHKW).
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Über die energetische, umweltbezogene und wirtschaftliche Bewertung hinaus gibt es auch
noch andere Kriterien, die entscheidungsrelevant sein können. In einer Gesamtbewertungsmatrix erhielten die oben aufgezeigten „harten“ Kriterien zusammen mit weiteren „weicheren“
Faktoren jeweils eine Gewichtung. Anschließend wurde die Rangfolge der Alternativen für
jedes Kriterium definiert. 5 Punkte bedeutet dabei „Erster Platz“, 1 Punkt bedeutet „Fünfter
und letzter Platz“. Die Multiplikation der Platzvergaben mit den Gewichtungsfaktoren jedes
Kriteriums ergab in der Summe die „Gesamtpunktzahl“ jeder Variante
Bewertung
5 Punkte: 1. Platz
Investitionskosten*
Jahr 1-10*
Ausstrahlung
Verkehrsaufkommen
Rangfolge
Wichtungsfaktor
Var. 0
G-K
Var. 1
H-K +
G-K +
Solarth.
Var. 2
H-K +
G-K +
G-KWK
Var. 3
H-K +
G-K +
H-KWK
Var. 4
H-K +
G-K +
H-KWK +
Solarth.
1
6
5
2
6
5
4
3
2
2
5
1
1
5
5
1
1
1
1
5
80
5
3
2
3
4
3
3
3
4
3
4
109
4
1
3
4
3
4
2
2
5
2
4
114
3
4
5
5
2
1
4
5
3
5
2
132
2
2
5
5
1
1
5
5
3
5
2
133
1
Bewertungsmatrix für die Versorgungsalternativen mit gewichteten Kriterien. Die Addition der
Punkte mal Wichtungsfaktor des Kriteriums für jede Variante ergeben die Gesamtpunktzahl
und Gesamtbewertungs-Reihenfolge der Alternativen
Ergebnis der gewichteten Gesamtbewertung:
Bei der gewählten Gewichtung der Kriterien liegen die innovativen Varianten 3 und 4 mit
Holz-KWK klar an der Spitze.
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17.7 Ist die klimaneutrale Wärmeversorgung des Bürgerheim-Areals möglich ?
Kernfrage der nun abgeschlossenen EnEff:Stadt Modellprojektphase „Konzeption“ war es,
herauszufinden, ob eine klimaneutrale Wärmeversorgung des Bürgerheimareals durch ein
intelligentes Gesamtkonzept realistisch und mit darstellbarer Wirtschaftlichkeit erreichbar ist.
Die klare Antwort auf diese Kernfrage des Projektes lautet: Ja.
Bei Umsetzung der Variante 3 oder 4 (Hackschnitzelheizung, Gas-Peakload-Kessel, HolzKWK (Variante 3), ggfs. ergänzt mit 75 m2 Solarwärme-Kollektoren (Variante 4) genügen 270
- 360 m2 Photovoltaikflächen, um über einen CO2-Bilanzausgleich die CO2-neutrale Wärmeversorgung des Bürgerheim-Areals sicherzustellen. Das Flächenpotenzial geeigneter Dachflächen auf den Gebäuden des Areals beträgt rund das Zehnfache. Die Investitionen für die
genannte PV-Flächengröße belaufen sich auf ca. 110 – 140 Tausend Euro und machen sich
langfristig durch Einsparungen beim Stromeinkauf bezahlt.
17.8 Begleitende Themenstellungen
- Contracting und Nutzung von Restholz aus Hospital-Waldbestand
Von Seiten der Klimaschutz- und Energieagentur (KEA) Baden Württemberg, die eine VorabEinschätzung der Konzepte hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für eine Contractinglösung unternahm, wurde folgende zusammenfassende Bewertung abgegeben: Die Varianten 1 und 2
könnten problemlos im Einspar- wie auch im Energieliefercontracting umgesetzt werden. Die
Varianten 3 und 4 erfordern für die innovative Holz-KWK eine gemeinsame „Lernphase“, um
die Risiken kalkulierbar und zuordenbar vertraglich auszugestalten. Eine solche Vorgehensweise könnte ein „Türöffner“ für die Holz-KWK in dezentral nutzbaren Leistungsklassen sein.
Im Gespräch mit möglichen Contractoren unter Teilnahme von Forstamtsdirektor Beck wurden mögliche Vertragsgestaltungen und Contractingmodelle hinsichtlich ihrer Sinnhaftigkeit
und Umsetzbarkeit diskutiert. Ein Kernergebnis war, dass die Biomasseversorgung der Bürgerheim-Energiezentrale komplett mit Holz aus Hospital-eigenen Wäldern erfolgen könnte.
Aufbereitung und ggfs. Trocknung von Hackschnitzeln würden von externen Firmen übernommen. Prinzipiell könnte eine Gliederung in zwei Contracting-Verträge bzw. Vertragsteile
sinnvoll sein, d.h. ein eher standardisierter Vertrag für die Hackschnitzelheizung mit GasPeakload und ein spezieller Vertrag für die Holz-KWK. Welchem Vertragsteil die
Solarthermie und der notwendige Pufferspeicher zuzuordnen sind, wäre zu klären. Weiterhin
zu klären wäre die Finanzierung und Eigentumsstruktur aller Komponenten der Energiezentrale. Dabei sind zu beachten: Die EEG-Umlage von 5 Ct/kWh, die beim Verkauf von Strom
anfällt und die BMWi-Modellprojektförderung, die sich auf vom Zuwendungsempfänger getätigte Investitionen mit Innovationscharakter bezieht. Eine „Lernphase“ für die Gestaltung eines langfristigen Holz-KWK-Vertrages wurde allseitig für sinnvoll gehalten.
- Exergetische Analyse
Eine exergetische Analyse der Hochschule Biberach erbrachte grundsätzlich dieselbe Reihenfolge in der Bewertung der Alternativen, wie die energetische Bewertung. Weiterhin wurde folgendes Fazit gezogen:
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- Exergetisch macht es Sinn, geeignete Dachflächen auf dem Areal möglichst weitgehend
solar zu nutzen. Beiträge zur Wärmeversorgung sollten dabei über Vakuumröhrenkollektoren erfolgen, um hohe Temperaturen zu erreichen.
- Eine Kraft-Wärme-Kopplung mit dem Energieträger Holz erweist sich als exergetisch sehr
sinnvoll.
- Eine Ergänzung der regenerativen Energieversorgung mit Holz (in KWK) durch
Solarthermie führt zwar zunächst zu wirtschaftlicher Konkurrenz, erweist sich aufgrund der
komplementären Eigenschaften jedoch als sinnvoll: Während Solarenergie stets im Moment des Angebots genutzt oder zumindest aktiv gespeichert werden muss, ist Holz per se
ein „Energiespeicher“ der eine saisonal unabhängige Gewinnung und Nutzung ermöglicht.
Eine zukünftige regenerative Vollversorgung wird daher vermutlich in einer Kombination
beider Energieträger stattfinden. Das Modellprojekt Bürgerheim Biberach kann diesbezüglich als Schritt in die Zukunft gesehen werden.
- Standort Energiezentrale
Von der Darstellbarkeit des Projektes her wäre es günstig, wenn die Bürgerheim-Energiezentrale auf dem Areal oder nahebei liegt. Ein angrenzender Standort z.B. an der
Rollinstraße oder der Königsbergallee wäre durchaus vertretbar. Ein Standort weit außer
Sichtweite könnte sich auf die Projektwirkung abträglich auswirken, da der unmittelbare Zusammenhang zwischen Erzeugung und Verbrauch dann nicht mehr wahrgenommen wird.
Das Projektteam empfiehlt deshalb eine Realisierung der Zentrale auf oder angrenzend zum
Bürgerheim-Areal bis zu einer Maximalentfernung von etwa 200 m Trassenlänge. Eine Option wäre auch der Einbau der Zentrale in das Kellergeschoss eines beabsichtigten Neubaus
an der Rollinstraße (Gebäude 13). Sollten nutzungsspezifische oder andere Gründe jedoch
den Ausschlag für eine Modernisierung der Heizzentrale Memelstraße der e.wa riss geben,
dann ist auch diese Lösung möglich.
- Feindimensionierung und Betriebsregimeuntersuchungen
Von der Technischen Universität Dresden wurden neben einer Durchmesseroptimierung der
Wärmeleitung vor allem Brennstoffbilanzen ermittelt und die einzelnen Komponenten der
Energiezentrale über Modellrechnungen optimal dimensioniert. Die ermittelten optimalen
Anlagengrößen ergeben sich zu:
Solarthermie
HS-BHKW
HS-Kessel
437 kW Nennleistung
Wärmespeicher
601 kWh nutzbare Kapazität = 25,8 m3 Speicherinhalt.
Die Varianten mit Solarthermie ergeben ca. 2.000 EUR höhere Jahreskosten als die entsprechenden ohne Solarthermie, eine vergleichsweise geringe Differenz gegenüber der Gesamtsumme. Mit den gegenwärtigen Brennstoffpreisen und Förderbedingungen ist der
gleichzeitige Einsatz von thermischer Solarenergie und BHKW wirtschaftlich nicht vorteilhaft,
da bei der dann eintretenden Konkurrenzsituation besonders im Sommer sich die Anlagen
gegenseitig aus der Grundlast verdrängen. Mit Blick auf die Zukunft lässt sich ein kleinerer
Anteil an solarthermischer Wärmeeinspeisung neben einem BHKW aber rechtfertigen. Die
Auswertung der Optimierungsberechnungen ergibt nachfolgende Einsatzreihenfolge:
1. Hackschnitzel-Kraftwärmekopplung, 2. Solarthermie, 3. Hackschnitzel-Kessel, 4. ErdgasBrennwertkessel
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„negativer“ Wärmepreis entsteht, wenn diese Vergütung gegengerechnet wird. Die
Solarthermieerträge reduzieren sich dadurch auf 62 % des technisch Möglichen. Mit steigenden Biomasse-Brennstoffpreisen kann zukünftig der Fall eintreten, dass die Solarthermie an
die erste Stelle der Einsatzreihenfolge rückt.
- Messungen und Verbrauchsdatenauswertungen
Während der gesamten Projektdauer führte die Hochschule Biberach Messungen und Auswertungen durch, die einerseits abgesicherte Energiebilanzen für den Istzustand ermöglichten und andererseits über die ermittelten Korrekturfaktoren zwischen Messung und Rechnung auch tragfähige Voraussagen für zukünftige Realverbräuche ermöglichten. Weiterhin
konnten wichtige Anlagenkennwerte und Basisdaten für die Exergieanalysen abgeleitet werden. Raumklimamessungen ermöglichten zusammen mit einer Nutzerumfrage belastbare
Aussagen zum thermische, hygrischen und hygienischen Raumkomfort, während detaillierte
Stromverbrauchsanalysen des „stromauffälligen“ Gebäudes 9 halfen, die Gebäudelüftungssysteme als Verursacher überhöhter Stromverbräuche zu identifizieren. Für ein Nachfolgeprojekt „Umsetzung und Monitoring“ stellte die Hochschule außerdem ein Mess- und Auswertekonzept zusammen.
- Nutzerumfrage
Eine von der Hochschule Biberach entwickelte und durchgeführte Umfrage unter Bewohnern
und Mitarbeitern half dabei, die Zufriedenheit mit dem Istzustand und die Akzeptanz der Gebäudetechnik festzustellen sowie Verbesserungspotenziale zu identifizieren. Insgesamt
zeugten die inhaltlichen Antworten der Umfrage von einer hohen Zufriedenheit bei Mitarbeiter/innen und Bewohner/innen in nahezu allen abgefragten Aspekten des Arbeitens und
Wohnens. Aus der Auswertung der Umfrage lassen sich die folgenden Verbesserungsvorschläge ableiten, die teilweise im Bestand umsetzbar sind, teilwiese in Planungsvorgaben für
künftige Vorhaben einfließen sollten:
- Die natürliche Lüftung ist über kleine, gut erreichbare (Fenster-) Öffnungsflächen zu realisieren. Dabei ist besonders auf Einschränkungen der Beweglichkeit und des Kraftaufwands
der Bewohner/innen Rücksicht zu nehmen
- Die Schalter und Taster als Schnittstelle zwischen Mensch und technischer Gebäudeausrüstung sind nutzerfreundlich und im Hinblick auf alters- und krankheitsbedingte Einschränkungen auszulegen. Kriterien hierbei könnten z. B. die Höhe und Erreichbarkeit, die Gestaltung in Größe und Verständlichkeit (Symbolik/Beschriftung) sowie die taktilen Eigenschaften (Druckpunkt & Schalterreaktion) sein.
- Im Wohnbereich wird ein Nutzereingriff in die Beheizung durch schnell reagierende Systeme bevorzugt. So sollte z. B. eine Fußbodenheizung durch ein schneller reagierendes System zur Spitzenbedarfsabdeckung (z. B. Heizkörper) ergänzt sein.
- Gewährleistung eines optimalen Raumklimas bezüglich Temperatur, Luftqualität und Luftfeuchtigkeit, ausgelegt nach Kriterien der Behaglichkeit und Energieeffizienz sowie nach
Belangen des Feuchteschutzes (Waschräume).
- Ein über die Umfrage hinaus gehender Ansatz umfasst grundsätzlich die möglichst einfache und adäquate Gestaltung der Alltagstechnik, um die Selbstständigkeit älterer oder
kranker Menschen weitestmöglich zu gewährleisten. Eine einfache Umsetzung stellt hierbei
z. B. der “Alles-aus-Knopf“ dar.
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- Thermisch-energetische Detailanalysen
Im baulich praktischen Sinne sehr hilfreich erwiesen sich bauphysikalische Beratungen und
Wärmebrückenberechnungen der Hochschule Biberach für Gebäude 1, die es ermöglichten,
geringe rechnerische Wärmebrückenzuschläge in die Wärmeschutznachweise des Sanierungsvorhabens einzusetzen und so zur Erreichung des KfW55-Standards und der entsprechenden KfW-Mittel beitrugen. Weitere Arbeiten bezogen sich auf die Entwicklung des lokalen Klimas mit dem Nachweis einer klar messbaren Klimaerwärmung in Biberach im letzten
Vierteljahrhundert. In der Schlussfolgerung wird der sommerliche Wärmeschutz deutlich
wichtiger als bisher. Handlungsvorschläge hierzu wurden zusammengestellt.
Wärmebrückenberechnungen und Optimierungen der Hochschule Biberach zur Unterstützung
der energetischen Qualität von Neubauten und Sanierungen
- Aktueller Stand der Umsetzung
Zum Abschluss des Berichtes wurde der Stand der Umsetzung dokumentiert. Aufgrund der
laufenden Aktivitäten bezieht sich dieser Abschnitt hauptsächlich auf die laufende Sanierung
von Gebäude 1. Die Maßnahmen werden wie geplant umgesetzt, der für den KfW-Zuschuss
wichtige KfW55-Standard wird erreicht. Allerdings muss dazu auch die Hackschnitzelheizung
bis spätestens Sommer 2015 betriebsbereit sein, um den KfW-Standard einzuhalten.
Links: Die neue Fußbodenheizung wird verlegt. Rechts: Zu- und Abluftkanäle der energiesparenden Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung.
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17.9 Fazit und Resümee
Das Projekt hat gezeigt, dass eine CO2-neutrale Wärmeversorgung des Bürgerheim-Areals
möglich ist, und dies auch bei ca. 50 % mehr beheizter Fläche als im Ausgangszustand
2010. Neben hocheffizienten Energiestandards von Sanierungen und Neubauten sollten dazu eine Hackschnitzelheizung, eine Kraftwärmekopplung mit Holz als Brennstoff sowie ggfs.
eine kleine Solarwärmeanlage vorgesehen werden. Der noch vorhandene, kleine Abstand
zur Nullbilanz wird dann durch ca. 300 m2 Solarstromkollektoren auf den Dächern der Gebäude geschlossen.
Mit BMWi-Fördermitteln wird für die innovativen Konzeptalternativen mit Holz-KWK eine
Wirtschaftlichkeit vergleichbar zu heute marktüblichen Lösungen oder besser möglich.
Ohne eine EnEff:Stadt-Förderung des BMWi wären die innovativen Lösungen wirtschaftlich
tragbar, aber den konventionellen Lösungen nicht ganz ebenbürtig. Will man das Projekt
ohne Pilotfördermittel umsetzen, und hat nicht einen optimalen Umweltnutzen, sondern eine
optimale monetäre Wirtschaftlichkeit im Fokus, dann ist die Versorgungsvariante 2 mit Hackschnitzelheizung und Erdgas-BHKW die Lösung der Wahl.
17.10 Übergeordnetes und Ausblick
Das Projekt kann für kleinere und mittlere Quartiere den Weg in eine nachfossile Zukunft
aufzeigen, unter Nutzung der regenerativen Energieträger Sonne und Holz, mit exergetischer
Optimierung durch holzbefeuerte Kraft-Wärme-Kopplung im dezentralen Maßstab. Ein besonderer Vorteil in diesem Projekt ist es, dass der HOSPITAL seinen Brennstoff Holz als
Restholz aus eigenem Waldbestand bereitstellen kann. Insofern werden nicht nur regenerative Energieträger eingesetzt, sondern sie werden besonders nachhaltig nach dem
Selbstversorgerprinzip genutzt.
Das Biberacher Bürgerheim-Areal ist besonders geprägt durch einen hohen Anteil von Wohnen und Sozialeinrichtungen für ältere Menschen. Im kommunalen Gefüge besitzen die Einrichtungen eine hohe Bedeutung und genießen dementsprechend hohe Aufmerksamkeit Alle
Demoskopen sind sich einig, dass der Anteil alter Menschen in Zukunft mehr und mehr ansteigen wird, die „Generation 100“ ist laut aktuellen Medienberichten schon geboren. Altenheime und Altenzentren mit gemischter Nutzung entstehen bzw. vergrößern sich mehr und
mehr. Sie lassen den zunehmenden Anteil älterer und alter Menschen weiter am öffentlichen
Leben teilhaben, und verbannen sie nicht in „Alten-Ghettos“. Diese Quartiere stellen eine
zunehmend wichtige Bauaufgabe dar, für die auch zukunftsfähige Energiesysteme konzipiert, pilothaft umgesetzt und verbreitet werden müssen.
Eine modellhafte zukunftsweisende Quartiersentwicklung wird sicher in Biberach, aber auch
regional und überregional, sowie bei anderen größeren Heimen und Anstalten, in Krankenhaus- und Klinikkomplexen und sozialen Einrichtungen starke Beachtung finden. Darüber
hinaus macht die breite Nutzungsmischung aus Wohnen, Heimen, Büros, Schule, Betreuung
und die für innerstädtische Quartiere typische Entwicklung aus Abriss, Sanierung und Neubau das Vorhaben gut übertragbar für viele weitere kleine bis mittlere Nahwärmesysteme
gemischter Nutzung und deren effiziente energetische Entwicklung.
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Bürgerheim Biberach

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