15.09.2020 | Ausgabe 09/2020

Energieeffizienz mit robuster Architektur

Einfach bauen

Die „Performance Gaps“ zeigen sich meist in der Entstehungsphase eines Gebäudes und durch das Verhalten der späteren Nutzer. / Grafik: Darstellung Deutsche Poroton nach Delzendeh et al. 2017

Die „Performance Gaps“ zeigen sich meist in der Entstehungsphase eines Gebäudes und durch das Verhalten der späteren Nutzer. / Grafik: Darstellung Deutsche Poroton nach Delzendeh et al. 2017

Hypothese: Einfache Energiekonzepte ohne eine kostenintensive Klimatisierung, aber mit einer gut wärmedämmenden und thermisch speicherfähigen Gebäudehülle, zum Beispiel aus Ziegelmauerwerk, reduzieren den „Performance Gap“. Die Bauweise bietet sich für robuste Optimierungen an, mit denen eine hohe Energieeffizienz auch bei unsicheren Randbedingungen, beispielsweise das Klima oder der Nutzer, gewährleistet werden kann.

Der Energieverbrauch nach der Fertigstellung von Gebäuden verursacht typischerweise rund 32 Prozent der gesamten Lebenszykluskosten. Dieser große Anteil der Energiekosten während der Nutzung veranschaulicht, wie wichtig Monitoring und Qualitätssicherungsmaßnahmen im Gebäudebetrieb sind, um die Lebenszykluskosten der Nutzungsphase möglichst gering zu halten und eine hohe Energieeffizienz des Gebäudebetriebes zu gewährleisten. Leider wird dieser Grundsatz häufig so verstanden, dass moderne Gebäude zwingend ausgeklügelte energetische Konzepte auf der Basis aufwendiger Lüftungs- und Klimatisierungstechnik aufweisen müssen. Es wird dann nach der Maxime geplant: Nur ein kompliziertes Gebäude ist ein gutes Gebäude. In der baupraktischen Realität führt dieser Weg jedoch meist in die Irre, etwa weil die Komplexität im alltäglichen Betrieb nicht beherrscht wird oder weil die Gebäudenutzer vom vorgesehenen Verhalten abweichen. Zahlreiche wissenschaftliche Studien zeigen, dass die gemessenen Energieverbräuche hochkomplexer Gebäude teilweise um ein Mehrfaches größer sind, als in der Planung prognostiziert (vgl. BINE 2015; OBB 2017; Delzendeh et al. 2017). Diese Differenz wird als Performance Gap (Abb. 1) bezeichnet und nicht selten mit einem angeblichen „Nutzerfehlverhalten“ kaschiert oder entschuldigt.
Den Gegenpol zu dieser High-Tech-Strategie bilden moderne Gebäude, die mit passiven Energiekonzepten ohne aufwändige Klimatisierungstechnik eine ausgezeichnete Aufenthaltsqualität bei einer gleichzeitig hohen Energieeffizienz aufweisen. Vorbilder für dieses einfache Bauen bietet beispielsweise die historische Ziegelarchitektur, die in vielen Fällen ohne Klimatechnik eine gute Raumqualität und eine hohe Nutzerzufriedenheit erreicht. Möglichkeiten für dieses einfache Bauen bieten zum Beispiel Außenwände aus hoch wärmedämmendem porosiertem Ziegelmauerwerk, die mit einfachen Konstruktionen und sicheren Ausführungsdetails einen hohen winterlichen Wärmeschutz bis hin zum Passivhausniveau bieten. Gleichzeitig beugen die hohen thermischen Speichermassen des Mauerwerks auch ohne teure Klimatisierung der Überhitzung im Sommer vor. In Verbindung mit einer natürlichen Fensterlüftung und ggf. einem außen liegenden Sonnenschutz oder nur mit einer Fensterlaibung als fixe Verschattung entstehen so auf wirtschaftliche Weise einfache und robuste Gebäudekonstruktionen, die gerade durch den Verzicht auf eine komplexe Haustechnik alle Aspekte der Energieeffizienz, Aufenthaltsqualität und Nutzerzufriedenheit erfüllen.

Unterschied zwischen einem globalen und einem robusten Optimum
Unterschied zwischen einem globalen und einem robusten Optimum / Grafik: TU München, Auer / Franke nach Rhein 2014

Robustheit als zielgerichtete Optimierung

Begriffe wie „low-tech“ oder auch „einfaches Bauen“ unterliegen einer subjektiven Wahrnehmung und sind bisher für Gebäude nicht eindeutig definiert. Die Autoren beschäftigen sich darum mit dem Begriff der Robustheit. Dieser bezieht sich auf den Einflussgrad von unsicheren Randbedingungen. Eine robuste Optimierung ist in vielen Industriezweigen Stand der Technik, hat jedoch im Bauwesen noch keinen Einzug gefunden (vgl. Nguyen et al. 2014). Gerade im Gebäudesektor bestehen jedoch unsichere Randbedingungen, beispielsweise aus dem Nutzerverhalten, nicht optimal betriebenen Systemen oder auch aus dem Klimawandel, der zwangsläufig – vor allem in Städten – zu einer Veränderung der klimatischen Randbedingungen führen wird. Ein robustes Verhalten bzw. eine robuste Optimierung lässt sich wissenschaftlich beschreiben (vgl. Rhein 2014; Maderspacher 2017). Die nachfolgende Grafik zeigt den Unterschied zwischen einer globalen und einer robusten Optimierung, reduziert auf zwei Parameter (Abb. 2).
Die bisherigen Planungsprozesse suchen für die jeweilige Aufgabe nach dem sogenannten globalen Minimum, also dem rechnerisch unter den angenommenen Konditionen jeweils erreichbaren Idealwert. Veränderungen in den Eingangsgrößen können das Ergebnis jedoch deutlich verändern (Δy1). Demgegenüber ist das robuste Optimum der Zustand, bei dem unsichere Randbedingungen oder Schwankungen der Eingangsgrößen das Ergebnis nur geringfügig verändern. Wenn Gebäude nach ihrer Robustheit bewertet werden, lassen sich in Zukunft Technikkonzepte vermeiden, die zwar unter spezifischen Randbedingungen besser als andere Konzepte erscheinen, die aber hinsichtlich der gesamten Schwankungsbreite ihrer Randbedingungen schlechter sind.

Robuste Energieeffizienz bei Ziegelmauerwerk

Übertragen auf massive hoch wärmedämmende porosierte Ziegelkonstruktionen mit einem guten Wärmespeichervermögen und einer natürlichen Fensterlüftung bedeutet eine robuste Optimierung zum Beispiel, dass die Nutzer die Fenster nach ihren persönlichen Bedürfnissen öffnen können, ohne damit die Energieeffizienz nachhaltig zu verschlechtern. Bei Gebäuden mit einer maschinellen Lüftung und Wärmerückgewinnung sind geöffnete Fenster hingegen in den Randbedingungen oft gar nicht vorgesehen. Die Baukostensenkungskommission der Bundesregierung kam zu dem Ergebnis, dass vor allem die Kostengruppe 400 (technische Gebäudeausrüstung) für die Kostensteigerung am Bau verantwortlich ist. Untersuchungen zeigen, dass die angestrebte Energieeffizienz im Betrieb, wenn überhaupt, erst nach einer Einregulierungsphase erzielt wird (vgl. Jazizadeh et al. 2013). Da ein solches Monitoring für die allermeisten Gebäude nicht durchgeführt wird, liegt der Schluss nahe, dass eine Vielzahl von neuen Gebäuden deutlich mehr Energie verbraucht als erforderlich. Es ergibt sich ein erheblicher Performance Gap, mit dem das rechnerisch eventuell sehr gut aussehende Ergebnis in der Praxis weit verfehlt wird. Eine maschinelle Lüftung ist demnach, speziell im Geschosswohnungsbau, keine robuste Lösung.

Fazit

Passive, nutzergeregelte Systeme führen potenziell nicht nur zu einem reduzierten Energiebedarf und geringeren Installationskosten, sondern sie erhöhen gleichzeitig die Robustheit von Gebäuden. Damit steigern sie die Nutzerzufriedenheit und reduzieren den Performance Gap. Beispielsweise können Konstruktionen aus porosiertem Ziegelmauerwerk – als hoch wärmedämmende Gebäudehüllen mit einem hohen Wärmespeichervermögen – ideal mit einer natürlichen Fensterlüftung kombiniert werden. Sie gehören damit nicht nur bau- und ausführungstechnisch, sondern auch im Sinne der energetischen Optimierung zu den robusten Bauweisen.


 

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