Aktiv planen, passiv bauen

Kompakt informieren

• Wer passiv bauen will, muss aktiv planen. Für die Auslegung und Planung energieeffizienter Gebäude sind konventionelle Rechenverfahren ungeeignet: Sie sind zu ungenau und berücksichtigen nur Teil­aspekte unter bestimmten Randbedingungen.
• Umfassende Simulationen sind zwar präziser, aber auch erheblich aufwendiger. Deshalb wurden vereinfachte Berechnungsmodelle mit einem optimierten Verhältnis von Eingabeaufwand und Ergebniszuverlässigkeit entwickelt.

In wenigen Jahren wird es ernst. Gemäß EU-Gebäuderichtlinie 2010/31/EU über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (Webcode 296893) dürfen ab 2021 nur noch Niedrigstenergiegebäude gebaut werden. Für behördlich genutzte Gebäude gilt dies zwei Jahre früher. Der Begriff Niedrigstenergiegebäude wird als ein Gebäude definiert, das eine sehr hohe Gesamtenergieeffizienz mit einem fast bei Null liegenden oder sehr geringen Energiebedarf, aufweist [1]. Bis zum 9. Juli 2012 müssen die Mitgliedstaaten die EU-Richtlinie in nationales Recht umsetzen, was in Deutschland voraussichtlich mit einer EnEV-Novelle im Jahr 2012 der Fall sein wird. Gebäude, die diesen hohen Anforderungen genügen, sind hierzulande nach dem Passivhaus-, Null-Energie-Haus- oder Plus-Energie-Haus-Standard realisierte Gebäude oder die KfW-Effizienzhäuser 40 und 55.

Wie berechnet man Energieeffizienz?

Doch wie legt man „Nahe-Null-Energie-Häuser“ überhaupt aus und wie berechnet man die Energieeffizienz von Gebäuden zuverlässig? Die Auslegung, Berechnung und der Nachweis von Passiv-, Null-Energie- und Plus-Energie-Häusern sind keineswegs trivial und ohne Software-Unterstützung wirtschaftlich nicht realisierbar. Für die Berechnung der Gesamtenergieeffi­zienz gibt die EU-Gebäuderichtlinie lediglich einen allgemeinen Rahmen vor: Sie ist anhand der berechneten oder tatsächlichen Energiemenge zu bestimmen, die jährlich für Heizung und Kühlung sowie den Wärmebedarf für Warmwasser aufgewendet wird. Bei der Berechnung sind thermische Gebäudeeigenschaften, einschließlich der Innenbauteile zu berücksichtigen, ferner die Heizungsanlage und Warmwasserversorgung, die Klimaanlage, Belüftung und Beleuchtung, die Gebäudegestaltung, -lage und -ausrichtung, einschließlich des Außenklimas, passive Solarsysteme und Sonnenschutz, Innenraumklimabedingungen sowie interne Lasten.

Herkömmliche Rechenverfahren oder stationäre Wärmebilanzverfahren setzen Grenzen im Hinblick auf die Variantenbildung und die Aussagekraft für Gebäude mit sehr niedrigem Heizwärmebedarf. Es werden ungefähre Richtwerte ermittelt und wichtige Größen, etwa interne oder solare Wärmegewinne werden mit Durchschnittswerten berücksichtigt. Hinzu kommen Sicherheitszuschläge, die zu einer Überdimen­sionierung von Anlagenkomponenten führen. Da konventionelle Rechenverfahren für konventionelle Gebäude entwickelt worden sind, lassen sich aber auch Unterdimensionierungen von Heiz- und Kühlanlagen nicht ausschließen.

Aufwendig: Dynamische Simulation

Für die Verwendung exakterer Planungswerkzeuge oder gar eines dynamischen Simulationsprogramms spricht, dass damit auch über die Temperaturen im Gebäude und die Behaglichkeit für die Nutzer verlässliche Aussagen getroffen werden können. Das ist gerade bei Niedrig- und Niedrigstenergiehäusern sinnvoll, weil einerseits die Gefahr sommerlicher Überhitzung, andererseits das Problem einer zu geringen Heizleistung im Winter besteht. Weisen die Gebäude zudem eine besondere Form und Nutzung auf, sind Simulationen quasi Pflicht. Je größer ein Gebäude oder je ungewöhnlicher die Gebäudeform oder Nutzungsart ist, desto sinnvoller ist der Einsatz von Simulationsprogrammen Abb. 2. Die Gebäudesimulation ist in der Lage, mehrere Einflussfaktoren, wie Außentemperatur, Sonneneinstrahlung und Luftfeuchte, unter Berücksichtigung realer Wetterdaten und des Nutzerverhaltens (Personen- und Gerätewärme, Lüftungsverhalten etc.) präzise darzustellen.

Dynamische Gebäudesimulationsprogramme erlauben wesentlich detailliertere Unter­suchungen, denn sie berechnen – in der Regel auf Basis stündlicher Werte – die gewünschten Daten. Somit lassen sich sehr genaue Vorhersagen hinsichtlich des Energieverbrauchs, der Temperaturverhältnisse und des Komforts ­treffen. Da auch Gebäudedaten, wie die Gebäudegeometrie, der Bauteilaufbau und die Gebäudetechnik berücksichtigt werden, ist eine realitätsnahe Simulation möglich.

Allerdings haben dynamische Simulationen ein Problem: Die Anzahl der erforderlichen Daten und der Rechenaufwand sind hoch. Für ein einfaches Einfamilienhaus kommen schnell mehrere tausend Eingabedaten zusammen. Alle Daten müssen korrekt und gemäß der tatsäch­lichen Gebäudegeometrie, des Umfelds und anderer Randbedingungen berücksichtigt werden, wenn die Simulation zuverlässige Ergebnisse liefern soll. Als Beispiel sei hier nur die Berücksichtigung der winkelabhängigen Strahlungstransmission durch Verglasungen genannt.

Dieses auf den ersten Blick unscheinbare Detail ist für die Untersuchung des sommerlichen Innenklimas nicht unerheblich, da beispielsweise eine vertikale Südverglasung im Sommer wegen des flachen Einfalls der Solarstrahlung einen niedrigeren Energiedurchlassgrad hat als im Winter. Sehr wichtig bei der Berücksichtigung solarer Gewinne ist die geometrisch exakte Ermittlung der Eigenverschattung durch Balkonüberstände, Fensterlaibungen etc., aber auch die Fremdverschattung durch Nachbargebäude oder die Vegetation.

Alternativen zu Simulationsmodellen

Auch das beste Simulationsmodell kann jedoch nicht alle physikalischen Prozesse und Rand­bedingungen angemessen berücksichtigen. Zu komplex wären die Software und ihre Be­dienung und zu groß die Fehlerquote bei der Eingabe. Deshalb wurden Planungswerkzeuge mit vereinfachten Modellen entwickelt, die ein unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten günstigeres Verhältnis von Eingabeaufwand und Ergebniszuverlässigkeit versprechen. Zu den Vorteilen eines vereinfachten Berechnungsmodells zählen die schnellere Berechnung, die einfachere Dateneingabe und Bedienung sowie eine daraus resultierende geringere Fehlerwahrscheinlichkeit.

Ermöglicht wurde dies unter anderem durch an die Planungsaufgabe optimal angepasste Rechenverfahren, die Berechnung von Monatsenergiebilanzen nach DIN EN ISO 13790 [2] anstelle dynamischer Simulationen mit hoher zeitlicher Auflösung und die Berücksichtigung der Erfahrungen aus einer Vielzahl validierter dynamischer Simulationsmodelle. An einigen Stellen wird von der Norm abgewichen, etwa bei der Berücksichtigung interner Wärmequellen, solarer Gewinne oder den Temperaturkorrekturfaktoren. Obwohl Vereinfachungen stets mit einem Verlust an Genauigkeit einhergehen, konnte anhand eines Vergleichs der Berechnungsergebnisse mit den Messwerten gebauter Passivhäuser eine überraschend hohe Übereinstimmung nachgewiesen werden [3].

Für einige Anwendungsfälle sind auch vereinfachte Modelle noch zu komplex. So stehen viele für eine detaillierte Energiebilanz erforderliche Parameter in sehr früher Projektplanungsphase (Grundlagenermittlung, Vor- und Entwurfsplanung) noch nicht fest. Deshalb werden auch Lösungen offeriert (z.B. Passivhaus-Vorprojektierung PHVP, PRIMERO), die für diese Parameter Vorgabewerte vorschlagen. Einzugeben sind im Wesentlichen noch die Wohnfläche, die Flächen und Wärmedurchgangskoeffizienten der Gebäudehülle sowie die Auslegung der Lüftungsanlage. Auf der Grundlage der eingegebenen Daten kann mit geringem Mehraufwand der erforderliche Nachweis nach Energieeinsparverordnung erstellt werden. Das vereinfachte Verfahren der Passivhaus-Vorprojektierung behandelt teilweise jedoch nur das Gebäude selbst und berücksichtigt weder die Haustechnik noch Umgebungseinflüsse.

Programme und Anbieter

Gleich mehrere Software-Lösungen sind für die Auslegung und Berechnung von Passiv-, Null-Energie- und Plus-Energie-Häusern mehr oder weniger geeignet. „Platzhirsch“, weil schon lange am Markt und speziell dafür ausgelegt, ist das vom Passivhaus Institut entwickelte Passivhaus Projektierungs Paket (PHPP).

Energieberater Plus 18599: Mit dem neuen Planungsmodul des Energieberaters Plus 18599 von Hottgenroth Abb. 3 Abb. 5 lassen sich Gebäude nach Passiv- und Null-Energie-Standard planen. Das Planungsmodul dient der energetischen Planung und Bewertung von Wohn- und Nichtwohngebäuden, inklusive einer sehr einfach zu bedienenden grafischen 3D-Hüllflächen­erfassung. Für die Bestimmung der U-Werte stehen Bauteilkataloge und Gebäudetypologien sowie fertige Passivhausbauteile zur Verfügung. Im Bereich der Anlagentechnik können die Bereiche Kühlung, Lüftung, Heizung ­inklusive Trinkwarmwasser sowie Beleuchtung berücksichtigt werden. Anlagensysteme und Dämmstoffe lassen sich ebenfalls ver­gleichen. Die Software kann für Neubauten und in der Bestandssanierung eingesetzt werden. Weitere Infos: http://www.hottgenroth.de

PHPP, DYNBIL: Das Passivhaus Projektierungs Paket (PHPP) Abb. 6 für Wohn- und Nichtwohngebäude besteht aus Tabellenkalkulations-Rechenblättern und einem Handbuch mit Planungstipps. Enthalten sind Werkzeuge für die Berechnung von Energiebilanzen, inklusive U-Wert-Berechnung, die Projektierung der Fenster und der Lüftung, die Auslegung der Heizlast, die Voraussage für den sommerlichen Komfort, die Auslegung von Heizung und Trinkwassererwärmung sowie weitere Werkzeuge, etwa der Nachweis für die Förderung von Passivhäusern (z.B. durch die KfW). Die kostenlos herunterladbare Passivhaus Vorprojektierung (PHVP) ist eine stark vereinfachte Version des PHP-Pakets. Sie dient zur groben Ermittlung des zu erwartenden Heizwärmebedarfs eines Gebäudes in sehr früher Planungsphase.

Ebenfalls am Passivhaus Institut wurde das dynamische Simulationsprogramm DYNBIL entwickelt. Das Programm berücksichtigt dynamische Wärmeströme, konvektive Wärmeübergänge an Raumoberflächen, den Strahlungswärmeaustausch im Raum, den Einfluss des Einfallswinkels für den Strahlungsdurchgang an Fenstern und deren Verschattung, ferner Lüftungswärmeverluste, den Wärmeübergang an Außenoberflächen und interne Wärmequellen. Auch die vom Einfallswinkel abhängige Transmission und Strahlungsabsorption wird zu jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit vom Sonnenstand und getrennt für die diffuse Strahlung berücksichtigt. Weitere Infos: http://www.passiv.de

Simulation-Manager/PRIMERO: Der Simula­tion-Manager Abb. 2 ist die Startumgebung für die umfangreiche Gebäudesimulationssoftware von ALware Abb. 4. Über sie können mehrere Planungswerkzeuge zentral aufgerufen werden: 3D Thermal zur Simulation von thermischem Raumverhalten, 3D Airflow zur Simulation von Raumluftströmung oder 3D Lighting zur Simulation von Tageslicht- und Kunstlichtbeleuchtung.

PRIMERO dient der Ermittlung des Primärenergiebedarfs für Heizen, Warmwasser, Lüftung, Kühlen und Kunstlicht von Gebäuden und Räumen in früher Planungsphase. Außerdem bietet es eine Bauteile- und Wärmebrückenbilanz, einen Energiebedarfsausweis nach EnEV sowie einen Passivhaus-Nachweis, in Anlehnung an das PHV-Paket des Passivhaus Instituts. Weitere Infos: http://www.al-ware.com

TAS ist eine auf die thermische Gebäudeoptimierung spezialisierte Software der ifes GmbH, mit der die Sonnenstrahlung, Erwärmung und Abkühlung sowie Luftbewegung im Gebäude simuliert werden können. Anhand geometrisch und physikalisch exakter 3D-Gebäudemodelle werden Einflüsse auf das thermische Verhalten von Gebäude und Räumen analysiert und bewertet. Das dynamische und thermische Verhalten jeder Konstruktion wird auf der Grundlage umfangreicher Bauteildaten berechnet, wobei die Gebäudenutzung über Wertetabellen und eine Kalenderfunktion berücksichtigt wird. Klimadaten mit stündlicher Auflösung für Solarstrahlung, Temperatur, Feuchte, Windrichtung und Windgeschwindigkeit ermöglichen detaillierte Untersuchungen. Weitere Infos: https://www.ifes-frechen.de/

TRNSYS ist ein sehr umfangreiches, modular aufgebautes, dynamisches Gebäude- und Anlagen-Simulationsprogramm von Transsolar Energietechnik, mit dem auch beispielsweise das Verhalten von Systemen zur Solarenergienutzung und anderer regenerativer Energiequellen simuliert werden kann. Komplexe Simulationen des Gebäudes, inklusive umfangreicher Anlagentechnik sind ebenso möglich. TRNSYS basiert auf einem Mehrzonen-Gebäudemodell mit integrierten Modellen für thermoaktive Bauteile wie Betonkernaktivierung, Fußbodenheizung, Kapillarrohrmatten oder Kühldecken. Eine große Standard-Komponentenbibliothek und die Auswahl zahlreicher Zusatzkomponenten z.B. für die geothermische Energienutzung oder Luftströmung im Gebäude machen das System flexibel einsetzbar. Weitere Infos: http://www.transsolar.de

CASAnova (Forschung/Lehre) ist ein an der Universität Siegen entwickeltes Lernprogramm zum Energie- und Heizwärmebedarf, zu solaren Gewinnen und zur sommerlichen Überwärmung von Gebäuden Abb. 7. Dem Programm liegt eine stationäre Wärmebedarfsberechnung sowie ein einfaches Einzonenmodell zugrunde. Zusammenhänge zwischen Geometrie, Dämmung, Verglasung, solaren Gewinnen und dem Heiz-/Kühlenergiebedarf werden anschaulich vermittelt. Weitere Infos: http://bit.ly/CASAnova3

(Forschung/Lehre) EneC:

EneC Gebäudesimulation (Forschung/Lehre) ist ein nicht kommerzielles Werkzeug zur Energiebedarfsberechnung und die Optimierung sämtlicher Hüllflächen, der Verglasung, Anlagentechnik, des Heizwärmebedarfs, der Behaglichkeit etc. Berechnet werden beispiels­weise Transmissionsverluste, Lüftungsverluste, interne und solare Gewinne, der Heizenergie­bedarf und die erforderliche Heizleistung. EneC simuliert den Energiebedarf von Gebäuden stationär in Anlehnung an DIN EN 13790, DIN 4108-6 etc. mit teildynamischen Ansätzen. Zusätzlich werden physikalische und bauphysikalische Aspekte in für EneC angepasste Algorithmen berücksichtigt. Weitere Infos: http://www.enec.de

Die Preise für kommerzielle Lösungen liegen zwischen 0 (grobe Vorplanung) 100 (vereinfachtes Einzonenmodell, Monatsbilanzverfahren) und mehreren 10000 Euro (umfassende dynamische Simulationslösung). Marian Behaneck

Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Passivhaus, Null- und Plus-Energie-Haus: Webcode 715

Literatur / Quellen / Infos

[1] Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (auch: Energy Performance of Buildings Directive, kurz: EPBD) Webcode 296893

[2] DIN EN ISO 13790 Energieeffizienz von Gebäuden – Berechnung des Energiebedarfs für Heizung und Kühlung., Berlin: Beuth-Verlag, September 2008

[3] Das PHPP. Mehr als nur eine Energiebilanz: Das Planungstool für Passivhäuser. Passivhaus Institut auf http://www.passipedia.de

[4] Feist, W.: Anforderungen zur thermischen Behaglichkeit in Passivhäusern, Protokollband Nr. 25, Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser, Passivhaus Institut, 2004

[5] Jagnow Kati; Wolff, Dieter: Kriterien für die Entwicklung von Software für die Gebäude- und Anlagenplanung von NiedrigEnergiehäusern. KUKA-Dokumentation Kronsberg Edition 8, 2001

[6] http://www.passipedia.de (Passivhaus Wissensdatenbank); http://www.passiv.de (Passivhaus Institut); http://www.passivhaustagung.de (Internationaler Passivhaus-Jahreskongress); https://www.baunetzwissen.de/ (Infoline-Fachlexikon: Nachhaltig Bauen); https://www.energiesparhaus.at/ (Portal für energiesparendes Bauen); http://www.zukunft-haus.info (Energiesparmöglichkeiten im Alt- und Neubau)

Eine verwirrende Vielzahl an Begriffen kursiert mittlerweile um das Thema Gebäude-Energieeffizienz: Niedrig- und Niedrigstenergiehaus, Passivhaus, Null-Energie-Haus, Netto-Null-Energie-Gebäude, Plus-Energie-Haus… Aus dem Namen lässt sich nur schwer ableiten, welche Kriterien erfüllt sein müssen und keiner der Begriffe ist rechtlich geschützt (es gibt allerdings eingetragene Marken, z.B.: „Plusenergiehaus“). Unterschieden werden die Energieeffizienz-Standards in der Regel nach dem erforderlichen Jahres-Heizwärme- bzw. Jahres-Primärenergiebedarf bezogen auf die Wohn- bzw. Gebäudenutzfläche [kWh/(m² a)], wobei die spezifischen Berechnungsverfahren nur bedingt kompatibel sind. Zur Orientierung: Bei unsanierten Gebäuden liegt der Heizwärmebedarf bei 300 kWh/(m² a), bei Niedrigenergiehäusern bei maximal 70 kWh/(m² a), bei Passivhäusern bei maximal 15 kWh/(m² a) und beim Nullenergiehaus bei 0. Beim Netto-Null-Energie-Gebäude und beim Plus-Energie-Haus spielt der Heizwärmebedarf nur eine untergeordnete Rolle, hier ist über das Jahr eine mindestens ausgeglichene Primärenergiebilanz der Maßstab.