Gewerbehallen auf dem Weg zum Plusenergiegebäude 2.0

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Gewerbegebäude stehen zumeist nicht im Fokus, wenn über Lösungen zur Energieeinsparung im Gebäudebereich diskutiert wird. Dabei ist der Anteil dieses Gebäudetyps an der Bautätigkeit erheblich und es bieten sich besondere Optionen an. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes haben RWTH Aachen, FH Aachen und die FH Dortmund Konzepte und Detaillösungen entwickelt und untersucht.

Kompakt zusammengefasst
■ In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der RWTH Aachen, der FH Aachen und der FH Dortmund wurden Lösungen zur Erhöhung der Energieeffizienz von hallenartigen Gebäuden aus dem Stahlleichtbau insbesondere unter der Verwendung von Produkten aus Stahl untersucht.
■ Die Kombination von Techniken zur Gewinnung von Umweltenergie, Wärmepumpe und Wärmespeicherung führt zu einem Gebäude, das als „Plusenergie 2.0“ bezeichnet werden kann, d. h. durch die gebäudeintegrierte Photovoltaik-Anlage kann mehr Energie gewonnen werden, als für Betrieb und Konstruktion innerhalb des Lebenszyklus benötigt wird.
■ Durch die Integration unterschiedlicher Energiespeicher ist zudem ein netzdienlicher Betrieb möglich.
 

Um die Ziele der Bundesregierung bei der Senkung von Energieverbrauch und CO₂-Emissionen [1] zu erreichen, ist im Gebäudebereich eine weitere Minimierung des Energieverbrauchs erforderlich. Parallel dazu muss die Nutzung erneuerbarer Energien ausgeweitet werden. In der Kombination dieser Strategien können Plusenergiegebäude entstehen – die Energiegewinnung am Gebäude übersteigt in der Jahresbilanz den Energieverbrauch zum Betrieb.

Tobias Blanke

Die reine Betrachtung der Jahresbilanz führt jedoch dazu, dass der zeitliche Versatz von Erzeugung und Verbrauch zu einer zunehmenden Herausforderung für die Energieversorger wird und damit Fragen von Energiemanagement und Energiespeicherung zunehmend relevant werden.

Es reicht also nicht, bei „Plusenergie“ stehen zu bleiben, sondern es ist ein netzdienlicher Betrieb erforderlich, um weitere Schritte in Richtung Dekarbonisierung der Energieversorgung gehen zu können. Dieses Konzept wird im IGF-Forschungsprojekt „Integrale Lösungen für Plusenergiegebäude 2.0“ benannt.

Exemplarisch wurden hier Konzepte und Details für den Stahlleichtbau entwickelt. Diese Bauweise, die vorwiegend für Gewerbebauten eingesetzt wird und die bislang nicht im Fokus hinsichtlich ihres Beitrages zur Energiewende betrachtet wurde, bietet diesbezüglich interessante Optionen.

Analyse des Bestands und Entwurf eines Mustergebäudes

Zu Beginn des Projekts wurden fünf neuere Gewerbegebiete hinsichtlich der gewählten Bauweise und des Energieversorgungskonzeptes ausgewertet [2]. Die Analyse von 198 Gebäuden ergab, dass 66 % der Gebäude und 74 % der Fassadenfläche in Metallleichtbauweise (z. B. Sandwich oder Trapezprofil) realisiert wurden, der Rest weitgehend in Massivbauweise und zu einem geringen Anteil in Holz.

Von einem Teil der analysierten Objekte konnten auch Angaben zum Energieträger für das Heizsystem ermittelt werden (Bild 2). In der Tendenz gibt damit diese nicht-repräsentative Umfrage die bundesweite Statistik für Nichtwohngebäude der letzten 20 Jahre wieder (Bild 3).

Tobias Blanke

Danach waren Gas-Heizungen mit über 60 % dominierend, Öl verliert seinen Marktanteil und Zuwächse sind bei Wärmepumpen und bei der Fernwärme zu beobachten.

Weiterhin wurde die Bedeutung von Techniken zur Nutzung erneuerbarer Energien erfasst: In den oben genannten 198 Gewerbeobjekten konnten immerhin bei 16 % Photovoltaik-Anlagen festgestellt werden, bei 1 % Solarthermie-Anlagen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Stahlleichtbauweise einen erheblichen Marktanteil im Gewerbebau besitzt, der Einsatz von Wärmepumpen in den letzten Jahren deutlich zugenommen hat und auch der Ausstattungsgrad mit Photovoltaik-Anlagen relevant ist.

Für weitere Untersuchungen wurde ein vergleichsweise einfaches, aber typisches Mustergebäude entwickelt, das aus einer Halle (20 × 60 m) und einem Bürotrakt (2 Etagen mit Außenabmessungen von ca. 10 × 21 m) besteht (Bild 4).

Thiemo Ebbert

Ausführungsvarianten und Energiebedarf

Für das skizzierte Mustergebäude wurde basierend auf DIN V 18 599 der Nutzenergiebedarf ermittelt und für weitere Untersuchungen ein numerisches Simulationsmodell erstellt, wobei drei Varianten hinsichtlich der wärmetechnischen Eigenschaften der Gebäudehülle betrachtet wurden:

a) gemäß GEG
b) erhöhte Energieeffizienz
c) orientiert am Passivhausstandard

Dabei wurde jeweils eine Kühlung der Gebäude berücksichtigt, auch wenn das aktuell bei diesem Gebäudetypus von geringerer Bedeutung ist. Hintergrund ist, dass einerseits zu erwarten ist, dass der Kühlbedarf durch zunehmend bessere Wärmedämmung und die Klimaerwärmung zukünftig ansteigen wird und andererseits in Verbindung mit dem nachfolgend erläuterten Energiekonzept die Gebäudekühlung zum erfolgreichen Betrieb beiträgt.

Energieversorgungskonzept

Für das Ziel „Plusenergiegebäude 2.0“ wurde ein differenziertes und in seinen Komponenten aufeinander abgestimmtes Energiekonzept entwickelt (Bild 5). Im Zentrum steht eine elektrisch betriebene Wärmepumpe. Die Stromversorgung erfolgt über die gebäudeintegrierte Photovoltaik-Anlage (PV) und das öffentliche Stromnetz, wobei elektrische Energie in gewissem Umfang in einer Batterie zwischengespeichert werden kann.

Tobias Blanke

Als Wärmequelle greift die Wärmepumpe (gepuffert über einen Kältespeicher) auf Niedertemperatur-Solarthermiemodule und Geothermie zurück. Die Wärmeübergabe ans Gebäude erfolgt über ein strahlungsbasiertes und deckenintegriertes Flächenheizsystem, das so dimensioniert ist, dass es mit niedriger Temperatur betrieben werden kann. Über den zwischengeschalteten Wärmespeicher ist eine zeitliche Entkopplung der einzubringenden Heizleistung von dem Betrieb der Wärmepumpe möglich.

Im Sommer kann die Flächentemperierung zur Kühlung eingesetzt werden. Dabei kann sie aus dem Kältespeicher oder der Geothermie gespeist werden, wobei eine Regeneration dieser Wärmequellen für den Heizbetrieb erreicht wird, was die Leistungszahl im Heizfall verbessert und zu kleineren Abmessungen der Erdwärmesonden für die Geothermienutzung beiträgt.

Ergänzt werden die gebäudetechnischen Komponenten mit einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, um so die Lüftungswärmeverluste zu minimieren.

Darstellung ausgewählter Komponenten

Für dieses Konzept wurden Komponenten entwickelt und untersucht, die für den Gebäudetyp der Gewerbehalle in Stahlleichtbauweise besonders interessant sind, was aber ihren Einsatz in Verbindung mit anderen Bauweisen nicht ausschließt.

Thiemo Ebbert

Vitali Reger

Vitali Reger

Vitali Reger

Tobias Blanke

Tobias Blanke

Vitali Reger

Solarenergienutzung

Für den Einsatz am Gebäude kommen zwei Optionen zum Einsatz: Photovoltaik-Anlagen zur Stromerzeugung und Solarthermie-Anlagen zur Wärmegewinnung. Für die Dachfläche ist die Ausstattung mit hochwertigen kristallinen PV-Modulen vorgesehen. Für die Fassade wurden neue Lösungen untersucht.

Stahlkassette als Solarabsorber: Wie im Energiekonzept erläutert, ist die Solarenergie als Quelle für die Wärmepumpe vorgesehen, d. h. es reichen Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur aus, um die Wärmepumpe energieeffizienter zu betreiben bzw. das Erdreich thermisch zu regenerieren.

Aus diesem Anwendungsfall ergibt sich, dass ein Absorber ohne Wärmedämmung und Glasabdeckung ausreicht. Zu diesem Zweck wurden Metallkassetten, die als Fassadenelemente im Industriebau verwendet werden, rückseitig mit einem Rohrmäander ausgestattet, sodass ein äußerlich nicht erkennbarer Solarabsorber entsteht (Bild 6).

Eine weitere relevante Technik in diesem Projekt sind organische Dünnschichtsolarzellen (OPV), die direkt auf die Stahlkassette oder das Sandwichelement laminiert werden können (Bild 7). Durch das geringe Gewicht ist keine zusätzliche Tragkonstruktion erforderlich.

Wärmepumpen und Energiepfähle

Zu einem saisonalen Ausgleich der Wärmeströme können Energiepfähle beitragen. Im Sommerhalbjahr wird Wärme aus den Solarabsorbern und aus der Gebäudekühlung ins Erdreich geleitet (direkt oder aus Rückkühlung der Wärmepumpe im Reversierbetrieb), um dann während der Heizperiode aufgrund der höheren Quellentemperatur zu einer günstigeren Effizienz zu kommen. Der innovative Ansatz besteht hier in der Verwendung von Stahlgründungspfählen, die entweder mit Doppel-U-Sonden ausgestattet werden können oder direkt durchströmt als Koaxial-Wärmeübertrager dienen (Bild 8).

Exemplarisch wurden im Rahmen des Projektes Bohrtiefen von 9 m und 18 m realisiert und vermessen (Bild 8). Messtechnisch wurden nur die thermischen Eigenschaften untersucht, konzeptionell wurde aber auch dargelegt, wie die Gründung einer Halle mit diesen Pfählen erfolgen kann.

Nutzenübergabe (Wärme / Kälte)

Der effiziente Betrieb der Gebäudetemperierung mittels Wärmepumpe erfordert möglichst geringe Vorlauftemperaturen für die Heizflächen, sodass diese vergleichsweise groß auszuführen sind. Eine für den Metallleichtbau interessante Lösung besteht aus Strahlungsplatten aus stranggepresstem Aluminium, die an die Geometrie der Trapezbleche angepasst sind, wie sie insbesondere für Dachkonstruktionen zum Einsatz kommen (Bild 9).

So entsteht ein System, das die lichte Raumhöhe nicht reduziert und kaum zur Verschmutzung neigt. Aufgrund der vergleichsweise guten thermischen Leitfähigkeit des Trapezblechs aus Stahl wird neben der Strahlungsplatte aus Aluminium auch das Trapezblech selbst thermisch aktiviert, sodass insgesamt eine sehr große Fläche für die Wärmeübergabe genutzt werden kann.

Untersuchung und Optimierung

Die Konzepte, Komponenten und Systeme wurden mittels Tests und numerischer Verfahren untersucht und optimiert.

Solarenergienutzung

An einem Demonstrationsgebäude wurden die unterschiedlichen Techniken zur Solarenergienutzung untersucht (Bild 10). In den Bereichen A und B sind organische PV-Elemente mit unterschiedlichen Detaillösungen installiert, im Bereich C sind zwei Solarabsorber angebracht, wovon einer zusätzlich mit einem organischen PV-Element ausgestattet ist, sodass ein Kombimodul mit photovoltaischer und thermischer Solarenergienutzung (PVT) entsteht.

Solarthermie

Die Leistungsmerkmale der Solarabsorber wurden messtechnisch ermittelt, mit einem optischen Wirkungsgrad von 0,8 und einem Wärmeverlustkoeffizienten a₁ von 15 W/(m² ∙ K) konnten hier Werte ermittelt werden, die günstiger sind als beispielsweise von Kunststoffabsorbern.

Photovoltaik

Für die getesteten Varianten organischer Dünnschichtmodule konnten Wirkungsgrade von etwa 3 % ermittelt werden. Seitens des Herstellers werden hier inzwischen 6 % angegeben [4]. Diese Werte sind im Vergleich zu kristallinen Siliziummodulen gering, jedoch ist hier zu berücksichtigen, dass diese Technik es ermöglicht, Fassadenflächen zu erschließen, die mit konventionellen Solarmodulen nicht zu nutzen wären.

Bei den kombinierten PVT-Modulen ist der Einfluss des Absorbers auf den elektrischen Ertrag nur gering, der thermische Ertrag des Absorbers geht jedoch mit einem optischen Wirkungsgrad von 0,6 und einem Wärmeverlustkoeffizienten a₁  von  18 W/(m² ∙ K) etwas zurück.

Wärmepumpen und Energiepfähle

Die Energiepfähle wurden messtechnisch untersucht, indem sie zur Versorgung der Wärmepumpe im Demonstrationsgebäude verwendet wurden. Zusätzlich wurden numerische Simulationen durchgeführt [5, 6].

Dabei konnte aufgezeigt werden, dass die Einbringung der Doppel-U-Sonde in das Stahlrohr zu einer leichten Verbesserung der Entzugsleistung führt (ca. + 10 %), die Koaxialausführung hingegen liefert bei gleichen Randbedingungen die doppelte Entzugsleistung pro Meter Sondenlänge (Bild 11).

Nutzenübergabe (Wärme / Kälte)

Die thermische Leistungsfähigkeit der integrierten Strahlungsplatten wurde für den Heiz- und Kühlfall sowohl messtechnisch (Bild 12) als auch mittels numerischer Simulation bestimmt.

Bei einer Ausstattung jedes Gurtes mit einer durchströmten Strahlungsplatte konnte im Kühlfall eine Betriebskennlinie mit q_k = 10,3 W/(m² ∙ K) (lineare Näherung, bezogen auf die Temperaturdifferenz zwischen mittlerer Wassertemperatur und operativer Raumtemperatur) ermittelt werden Für den Heizfall ergibt sich aufgrund der reduzierten Konvektion ein Wert von q_h = 8,1 W/(m² ∙ K) für Temperaturdifferenzen bis 10 K. Wird nur jeder zweite Gurt mit einer Strahlungsplatte ausgestattet, reduziert sich die übertragene Leistung unterproportional auf etwa 60 %.

Einsatz und Optimierung der Komponenten für das Mustergebäude

Zur Dimensionierung und Optimierung wurde das eingangs skizzierte Mustergebäude in ein thermisches Gebäudesimulationsprogramm (hier: TRNSYS) eingegeben und mit den aufgezeigten technischen Komponenten ausgestattet. Die Ergebnisse der umfangreichen Variantenstudie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die Erhöhung des Dämmstandards bis hin zum Passivhaus-Standard senkt die Summe aus Nutzwärme- und Nutzkältebedarf, wobei beim Passivhaus-Standard der Nutzkältebedarf höher als der Nutzwärmebedarf ist.

Die Kühlung ausschließlich über Erdkälte ohne Reversierbetrieb der Wärmepumpe reicht nicht aus, um im Sommer die Überwärmung der Halle gering zu halten. Dieses Problem nimmt bei Ausführung nach Passivhaus-Standard zu. Wird hingegen auf die Erdwärmesonden verzichtet und werden nur die Solarabsorber zur Versorgung der Wärmepumpe eingesetzt, steigt der Primärenergiebedarf erheblich an. Die Kombination aus Erdwärmesonden und Solarabsorbern führt zu guter thermischer Behaglichkeit und niedrigem Primärenergiebedarf. Am günstigsten stellt sich hier die Ausführung in Passivhaus-Bauweise dar.

Wird der Bilanzrahmen weitergezogen und die in den Baustoffen und Komponenten eingesetzte Energie ebenfalls berücksichtigt, sind die Unterschiede zwischen den drei betrachteten Dämmstandards nur noch gering. Um dem Ziel des Plusenergiegebäudes gerecht zu werden, müssen die Energiegewinne aus der dachinstallierten PV-Anlage höher sein als der Energiebedarf für Errichtung und Betrieb innerhalb der betrachteten Lebensdauer des Gebäudes bzw. der wesentlichen Komponenten. Hier konnte für alle Ausführungsvarianten gezeigt werden, dass diese Anforderung erfüllt werden kann.

Durch die thermischen Speicher, die thermische Nutzung des Erdreichs sowie zusätzlich einen Batteriespeicher für elektrische Energie ist ein netzdienlicher Betrieb möglich.

Literatur

[1] EU-Gebäuderichtlinie Europäisches Parlament (2010) Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden. Luxembourg: Amtsblatt der Europäischen Union vom 18. Juni 2010, L 153/13

[2] Reger, V. et al.: Plusenergiegebäude 2.0 in Stahlleichtbauweise. Berlin: Ernst & Sohn, Stahlbau Vol. 88, H. 6, S. 522–528, 2019. https://doi.org/10.1002/stab.201900034

[3] Bauen und Wohnen – Baugenehmigungen / Baufertigstellungen von Wohn- und Nichtwohngebäuden (Neubau) nach Art der Beheizung und Art der verwendeten Heizenergie, Lange Reihen ab 1980. Wiesbaden: Statistisches Bundesamt, Zugriff am: 13. Sep. 2021

[4] Technisches Datenblatt: HeliaSol 315 – 2000 – The organic solar film product. Dresden: Heliatek GmbH, 2019

[5] Blanke, T. et al.: Net-exergetic, hydraulic and thermal optimization of coaxial heat exchangers using fixed flow conditions instead of fixed flow rates. Springer, Geotherm Energy 9, H. 1., 2021. https://doi.org/10.1186/s40517-021-00201-3

[6] Blanke, T. et al.: Koaxiale Stahlenergiepfähle. Berlin: Ernst & Sohn, Stahlbau Vol. 90, H. 6, S. 417–424, 2021. https://doi.org/10.1002/stab.202100028

Prof. Dr.-Ing. Bernd Döring

Solar-Institut Jülich der FH Aachen

Tobias Blanke, M.Sc.

Solar-Institut Jülich der FH Aachen

Dr. rer. nat. Joachim Göttsche

Solar-Institut Jülich der FH Aachen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Kuhnhenne

RWTH Aachen, Institut für Stahlbau, Lehr- und Forschungsgebiet Nachhaltigkeit im Metallleichtbau

Dipl.-Ing. Vitali Reger

RWTH Aachen, Institut für Stahlbau, Lehr- und Forschungsgebiet Nachhaltigkeit im Metallleichtbau

Prof. Dr.-Ing. Helmut Hachul

FH Dortmund, Lehr- und Forschungsgebiet Architektur und Metallbau

Dr.-Ing. Thiemo Ebbert

FH Dortmund, Lehr- und Forschungsgebiet Architektur und Metallbau