Energieeinsparende Gebäude und Anlagentechnik: Grundlagen, Auswirkungen, Probleme und Schwachstellen, Wege und Lösungen bei der Anwendung der EnEV

1040 Pages·2005·7.508 MB·German

by  Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Klaus W. Usemann (auth.)

Klaus W.Usemann
Energieeinsparende Gebäude und Anlagentechnik
Klaus W. Usemann
Energieeinsparende Gebäude
und Anlagentechnik
Grundlagen, Auswirkungen, Probleme und Schwachstellen,
Wege und Lösungen bei der Anwendung der EnEV
Mit 358 Abbildungen und 80 Tabellen
123
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Klaus W. Usemann
Technische Universität Kaiserslautern
FB Architektur, Raum- und Umweltplanung,
Bauingenieurwesen
Postfach 3049
67653 Kaiserslautern
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> aufrufbar
isbn 3-540-40609-3 Springer Berlin Heidelberg New York
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des
Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder
der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur
auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im
Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch-
land vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwi-
derhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media
springer.de
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000 und 2005
Printed in Germany
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch
ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Marken-
schutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,VDE) Bezug ge-
nommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder
Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder
Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.
Springer-Verlag, Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin
Satz: Dipl.-Ing. H. Gralle, Neustadt/Weinstr.
Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg
68/3020 uw – Gedruckt auf säurefreiem Papier – 5 4 3 2 1 0
Vorwort
Spätestens seit Prometheus der Sage nach
den Menschen das Feuer brachte und dafür
von den Göttern furchtbar bestraft wurde,
ist Energie für den Menschen ein kostbarer und
unverzichtbarer Stoff.
Mit Inkrafttreten der Dritten Wärmeschutzverordnung 1995 verlangte die
Bundesregierung, den Vollzug dieser Verordnung zu verbessern. Sie for-
derte die „ . . . nächste Stufe der Niedrigenergiehaus-Bauweise“ verbind-
lich festzulegen „mit dem Ziel, bei Neubauten den Heizwärmebedarf um
weitere 25% bis 35% zu senken“. Bundesrat und Bundesregierung waren
sich darüber einig, dass die zur Verfügung stehende Technik und die ra-
sante Entwicklung bei Baumaterialien und Produkten dazu führt, auch im
Rahmen des Energieeinsparungsgesetzes, weitere Verschärfungen wirt-
schaftlich durchführen zu können.
Ein zweiter Grund für die Novellierung der bisherigen Wärmeschutz-
verordnung war die weitere europäische Entwicklung. Das wärmetechni-
sche Verhalten von Gebäuden für wohn- und wohnähnliche Nutzung wird
in der europäischen Berechnungsnorm DIN EN 832 beschrieben; die bis-
her geltende Wärmeschutzverordnung orientierte sich mit dem Wärmebi-
lanzverfahren an dieser Norm. Eine Verbindung zwischen dem umfassen-
den Rechenweg der europäischen Norm zum vereinfachten Verfahren stellt
die deutsche Vornorm DIN V 4108-6 her. So musste die Methode einer
neuen Energieeinsparverordnung mit der europäischen Berechnungsnorm
abgestimmt werden.
Auch die Entwicklung der europäischen Produktnormen haben einen
Einfluss auf den Schutznachweis. Die bisherige WSVO’95 stützte sich auf
Rechenwerte aus produktbezogenen Bekanntmachungen (Bundesanzeiger)
oder nach DIN V 4108-4. Dies funktioniert nur in einem überschaubaren
(nationalen) Markt. Die europäischen Bedingungen für Brauchbarkeits-
nachweise modifizieren die bisherige Vorgehensweise. Das bedeutet, dass
die auf der Basis harmonisierter Spezifikationen zur Verfügung stehenden
und nach dem Willen der Bundesregierung auch fremdüberwachte Nenn-
werte für den Nachweis benutzt werden können. Da die Nennwerte jedoch
einen Produktionszustand und nicht den Einbauzustand beschreiben, müs-
sen die notwendigen Bemessungswerte (Rechenwerte) mit Hilfe entspre-
VI Vorwort
chender Rechennormen ermittelt werden. Auch Bauprodukte, die keinen
harmonisierten technischen Spezifikationen entsprechen, können Verwen-
dung finden.
Auch bei der Heizungsanlagenverordnung bestand Novellierungsbedarf.
Auf eine methodische Novellierung wurde verzichtet. Ein Problem stellt
u.a. dar, dass die Heizungsanlagenverordnung fast ausschließlich Anwen-
dungen an Systeme mit Wasser als Wärmeträger stellt. Zunehmend gewin-
nen bei geringen Heizlasten auch andere Systeme an Bedeutung (wie z.B.
Elektroheizung, Wärmepumpen, Luftheizung usw.). Darüber hinaus gab es
keine energiebezogenen Kennwerte für diese Anlagen, dafür aber be-
stimmte Ausführungs- und Ausstattungsregeln.
Die Kopplung des Anlagensystems an den Dämmstandard der Gebäude
war bisher nicht erreicht. Bei der weiteren Absenkung des Wärmebedarfs
gewinnt das Zusammenspiel zwischen dem Gebäude und seiner Heizungs-
technik weiter an Bedeutung. In der bisherigen WSVO’95 wurden diese
Zusammenhänge – soweit überhaupt – nur pauschal berücksichtigt. Alle
ungewollte Wärmeabgabe aus den Heizungssystemen, z.B. durch unge-
dämmte Rohre, fand sich pauschal im Ansatz für die internen Wärmege-
winne. Je kleiner das Verhältnis zwischen Wärmeverlusten und Fremd-
wärme wird, desto anspruchsvoller werden die Anforderungen an die Re-
gelung der Heizungsanlage. Je kleiner der „Umsatz“ einer Heizungsanlage
ist, desto stärker fallen Bereitschaftsverluste des Systems ins Gewicht. Die
Heizungstechnik muss sich den Erfordernissen des Gebäudes stärker an-
passen.
Vor diesem Hintergrund und den geschilderten Kritikpunkten an der
Heizungsanlagenverordnung wurde die WSVO’95 zu einer umfassenden
Energieeinsparverordnung weiterentwickelt. Im Einklang mit den europäi-
schen Normen auf der Grundlage des politischen Willens nach umfassen-
den Energiekennwerten bezieht sich die Hauptanforderungsgröße der
EnEV auf die Primärenergie und nicht auf die Endenergie.
Die Trennung des Rechenverfahrens in zwei Normen und die Einfüh-
rung der Bewertungsgröße „Aufwandszahl“ schaffen unnötige Komplizie-
rungen. Anstelle einer Gesamtbilanz aus baulichen und anlagentechnischen
Gewinnen und Verlusten, welche die gegenseitigen Wechselwirkungen
zwischen Gebäude und Anlagentechnik in einfacher Weise berücksichtigt,
wurde ein komplexes theoretisches Modellgerüst geschaffen. Mit den im
Verfahren eingeführten Aufwandszahlen (Aufwand/Nutzen) ist keinem
geholfen. Die EnEV und alle einflussnehmenden Normen (DIN V 4108-6,
DIN V 4701-10 usw.) sind in der vorliegenden Form als reine Drucksa-
chen ohne jede Kommentierung nicht händelbar.
Repräsentanten des Bauwesens glauben oft, mit Inkrafttreten der Ener-
gieeinsparverordnung gehe eine Epoche deutscher Baukunst zu Ende. Dis-
kussionsbeiträge dieser Art mangels sachlicher Kenntnisse, beherrschen
Vorwort VII
seit langer Zeit die fachliche und die allgemeine Presse. Der Autor ver-
sucht über die Energieeinsparverordnung (EnEV) einen möglichst sachli-
chen Beitrag zu der Diskussion zu leisten. Stellt man sich in die Reihe der
Unterstützer der EnEV, so gehen wir in Zukunft sehr viel sparsamer mit
Energie um, als bisher. Mit der EnEV wird neuester Stand der Technik
verbindlich eingeführt ohne baukulturelle Abstriche zuzulassen oder die
Material- und Gestaltungsvielfalt einzuschränken. Ganz im Gegenteil: Die
ganzheitliche Betrachtung über Energiebilanzen mit der Einbeziehung der
Anlageneffizienz sowie der erneuerbaren Energien schafft Möglichkeiten
für innovatives Planen und differenzierte Maßnahmen zur Energie-
verbrauchssenkung im Gebäudebereich.
Die veränderten Rahmenbedingungen und politischen Vorgaben werden
für die Industrie zu einer Reihe von Herausforderungen in Richtung neuer
Energieerzeugungs- und Verteilungssysteme mit vielfältigen neuartigen
Systemlösungen führen.
Betrachtet man die Energieeinsparverordnung – die das Gebäude als
Ganzheit erfasst –, so stellen sich folgende Fragen:
− Sind die in ihr enthaltenen Festsetzungen wirtschaftlich vertretbar oder
liegt z.B. die Wirtschaftlichkeitsgrenze bei einem noch höheren Wär-
meschutz?
− Haben die in dieser Verordnung enthaltenen Anforderungen und Res-
triktionen negative Auswirkungen auf die gebaute Umwelt, oder ist die-
se Verordnung und das veränderte Energiebewusstsein gar Anreiz für
neue auch gestalterisch befriedigendere Bauformen?
− Wie kann der praktizierende Architekt, Fachingenieur, Planer mit die-
ser Verordnung in Zukunft zurechtkommen?
− Welche vermeidbaren Verschwendungspotentiale stecken in unseren
Gebäuden und Anlagen?
Diese Fragen werden im Buch thesenartig behandelt: Anforderungen an
den Wärmeschutz und die Anlagentechnik, die energetische Planung eines
Gebäudes auf der Grundlage der EnEV sowie energetische Verbesserun-
gen im Gebäudebestand. Gefragt sind kostengünstigere ganzheitliche Lö-
sungen von energiesparenden und umweltschonenden Maßnahmen im
Wohn-, Zweck- und Industriebau. Wichtig ist die Nutzeraufklärung, um
die Akzeptanz der notwendigen Maßnahmen zu stärken. Das Anknüpfen
am rationellen und sparsamen Energieeinsatz ist im umweltschutztechni-
schen Sinne Mittel und Zweck und nicht das Ziel. Der beste Weg, die
Umweltbelastung infolge Verbrennung fossiler Energieträger zu reduzie-
ren, ist der „Nichtverbrauch“ von Energie. Eine derartige erfolgreiche in-
VIII Vorwort
novative Entwicklung in der Energieeinsparverordnung ist bisher keinem
anderen Industriezweig in Deutschland gelungen.
Ungenügende Kenntnisse bauphysikalischer Vorgänge in der Energie-
einsparverordnung müssen zu Bauschäden führen, die nicht selten Millio-
nenbeträge verschlingen. Das zu verhindern ist der Hauptzweck des Bu-
ches. Es enthält, ausgehend von theoretischen Grundlagen, alle erforderli-
chen Berechnungsformeln, Berechnungsverfahren und Berechnungsmittel,
die der Entwurfsverfasser benötigt. Da helfen keine Rechentricks.
Die zu lösenden Aufgaben erfordern einen permanenten Lern- und Um-
denkprozess über das reine Denken in Geräten hinaus, bis zu einem ge-
samtheitlichen Systemdenken. Kontroverse Sichtweisen werden nicht aus-
geklammert, die sinnvolle und effiziente Anwendung der EnEV und deren
Umsetzung in die Praxis stehen im Vordergrund. „Die Praxis sollte das
Ergebnis des Nachdenkens sein und nicht umgekehrt“ (Hermann Hesse).
Wenn Architekten die Umwelt als Wachstumsmarkt nutzen wollen,
müssen sie sofort mit dem Energieeinsparen beginnen. Eigentlich bedarf es
keiner neuen Gesetze, Verordnungen, Vorschriften, Normen, sondern nur
einer Marktanalyse. Und einer guten Vorbereitung auf diesen Zukunfts-
markt: Bessere Aus- und Fortbildung sind in Form einer konzentrierten
Umwelt-Qualifizierung zwingend notwendig, dazu soll das Buch dienen.
Die Bauherren sind schon weiter und fragen immer öfter bei den Archi-
tektenkammern nach, ob die ihnen Experten für energiesparendes Bauen
nennen können, diese lehnen aber mit dem zweifelhaften Hinweis ab, dass
dies jeder Architekt können muss. Bücher sind deshalb begehrt. Doch ohne
Weiterqualifizierung auf breiter Ebene wird es nicht gehen; interdisziplinä-
re Planungsteams aus Architekten und Fachingenieuren müssen bereits im
frühen Planungsstadium Energieeinsparkonzepte entwickeln und gemein-
sam bis zur Ausführungsreife bringen. Denn wichtiger als eine langfristige
Energiepolitik ist eine langfristige Ausbildungspolitik. Je vertrauter Archi-
tekten und Planer mit den neuen Berechnungen sind, desto selbstverständ-
licher können sie ihre gestalterischen Vorstellungen umsetzen.
Das Buch, das sich an Planer, Investoren, Bauherren und Studierende
wendet, stellt viele bauliche und konzeptionelle Möglichkeiten vor, die für
energieeffiziente Gebäude geeignet sind. Die einzelnen Abschnitte behan-
deln die theoretischen Grundlagen, das Funktionsprinzip, die erzielbaren
Energieeinsparungen, Entwicklungsmöglichkeiten; behandelt werden die
Gestaltungsmöglichkeiten der Niedrigenergiebauweise, das Umfeld der
Wärmedämmung, die verschiedenen Gebäudetechniken für Heizungs-,
Lüftungs-, Klima-, Warmwasserversorgung, neuzeitliche Technologien der
Kraft-Wärme-Kopplung, Wärmepumpen, Solartechnik, Konzepte für er-
neuerbare Energien, usw. Erfahrungen aus Beispielgebäuden und die an-
schauliche Darstellung mit vielen Bildern, Graphiken und Tabellen ermög-
lichen eine interessante Beschäftigung mit dem Thema des energiesparen-
Vorwort IX
den Bauens. Die erforderliche Nachweisführung erfolgt mittels Formblät-
ter. Es ist eine wertvolle Hilfe für jede Aktivität im Gebäude-Bereich, die
direkt oder indirekt die Energieeinsparung betrifft. Die bei der Anwendung
der EnEV entstehenden Probleme werden nicht isoliert diskutiert, vielmehr
werden sie durch übergeordnete Zusammenhänge sichtbar und deutlich
gemacht. Anhand von Fallbeispielen werden die technischen Auswirkun-
gen der Verordnung erläutert, Konsequenzen bei Neubauten sowie im Mo-
dernisierungs- oder Sanierungsfall von Bauten im Bestand diskutiert.
Zielgruppen: Das Standardwerk mit Lehrbuchcharakter wendet sich an
Bauherren, Architekten, Bauingenieure, Projekt-Ingenieure, Techniker und
Sachbearbeiter des Technischen Ausbaus (besonders der Heizungs-, Kli-
ma- und Sanitärtechnik) in ihrer Funktion als
− Bauherren, Bauunternehmer, Bauträger,
− Freiberufliche Architekten und beratende Ingenieure der Praxis in Ar-
chitektenbüros,
− Sachbearbeiter in Planungs-, Ingenieurbüros, in Baubehörden und in
industriell strukturierten Firmen/Unternehmen/Handwerksbetrieben der
Heizungs- und Raumlufttechnik,
− Sachbearbeiter in energieversorgungs- und wärmetechnischen Unter-
nehmen,
− Sachbearbeiter in der Bauindustrie,
− Sachbearbeiter der Öffentlichen Hand, der kommunalen Verwaltungen,
− Sachbearbeiter von Wohnungsträgern, Wohnungsbaugesellschaften,
Zweck- und Industriebauten,
− Betriebsingenieure für Heizungs- und Raumlufttechnische Anlagen,
− Sachverständige und Prüfingenieure,
es gibt Investoren, Bauherren, Wohnungsbaugesellschaften aber auch Ge-
bäudenutzern nützliche Hinweise bei der Entscheidungsfindung, dient der
Kommunikation zwischen Entwicklern und der Wissenschaft und erhöht
die Planungssicherheit.
Durch die umfassende Darstellung der Energieanwendungstechnologien
kann das Buch für Lehrzwecke an Hoch- und Fachschulen eingesetzt wer-
den.
An dieser Stelle möchte ich allen, die zum Gelingen dieser Arbeit beige-
tragen haben, meinen besonderen Dank aussprechen: Dem Lehr- und For-
schungsgebiet „Bauphysik und technische Gebäudeausrüstung“ im Fach-
bereich Architektur/Bauingenieurwesen der TU Kaiserslautern: Prof. Dr.
rer. nat. Hermann Heinrich, Frau Dr.-Ing. Monika Mrziglod-Hund, Dr.-
Ing. Karl-Heinz Dahlem, Dr.-Ing. Mingyi Wang, Dipl.-Ing. Stefan Breuer
X Vorwort
für Rat, tatkräftige Mithilfe, wie verschiedene Konzepte zur Energieein-
sparung bezüglich der Effektivität und Wirtschaftlichkeit.
Wesentlich zum Gelingen dieses Buches haben Dipl.-Ing. Martin Ploss,
Dipl.-Ing. Thomas Renner und Dipl.-Ing. Winfried Henneke beigetragen,
denen ich besonderen Dank ausspreche. Durch die vielen Anregungen und
konstruktiven Diskussionen in ihren Diplomarbeiten an der Technischen
Universität Kaiserslautern gaben sie wichtige Impulse und beeinflussten
mitentscheidend die Abschnitte dieses Buches.
Ich danke Herrn Dipl.-Ing. Horst Gralle, Neustadt/Weinstr., für die tat-
kräftige Mithilfe und sachkundigen Rat bei der Ausarbeitung des Textes,
der Abbildungen und Tabellen. Die vielen kritischen Diskussionen und die
Anregungen sowie fachliche Hilfe haben große Teile dieses Buches ganz
entscheidend beeinflusst. Die Zusammenarbeit hat mir viel Freude bereitet.
Außerdem ist es dem Verfasser eine angenehme Pflicht, dem Springer-
Verlag Berlin, Heidelberg, New York für die Unterstützung, Betreuung
und Hilfe Dank zu sagen.
Berlin, Hochspeyer (Pfalz), Kaiserslautern im Sommer 2004
Klaus W. Usemann VDI
Inhalt
0 Einleitung 1
1 Geo-Engineering 5
1.1 Problemstellung 5
1.1.1 Weltweite Klimaveränderungen 5
1.1.2 Zusammenhänge Architektur-Energie-Klima: Der Treib-
hauseffekt und was steckt dahinter 11
1.2 Ursachen der weltweiten Klimaveränderungen 14
1.2.1 Global (weltweit) 14
1.2.2 Die Rolle der Bundesrepublik Deutschland 24
1.2.3 Die Rolle des Anwendungsbereichs Niedertemperatur-
wärme in der Bundesrepublik Deutschland 30
1.2.4 Die Rolle des Anwendungsbereichs Niedertemperatur-
wärme eines einzelnen Gebäudes 31
1.3 Folgen der weltweiten Klimaveränderung 34
1.4 Gegenmaßnahmen: Energie und Architektur 36
1.4.1 Global (weltweit) 36
1.4.2 Rolle der Bundesrepublik Deutschland 38
1.5 Grundlegende Konsequenzen der novellierten Wärmeschutz-
verordnungen. Anlass und Ziele 39
1.6 Energie der Zukunft 42
2 Forderungen des Wärmeschutzes 44
2.1 Wärmeschutzforderungen vor der ersten Wärmeschutzverordnung 44
2.1.1 DIN 4108 – Wärmeschutz im Hochbau 44
2.2 Die Wärmeschutzverordnung (WSVO) 48
2.2.1 Erste Wärmeschutzverordnung 48
2.2.2 Zweite Wärmeschutzverordnung 51
2.2.3 Dritte Wärmeschutzverordnung 52
2.2.4 Weitere Ausgaben der DIN 4108 66
2.3 Heizungsanlagenverordnungen (HeizAnlV) 67
2.3.1 Heizungsanlagenverordnung 1978 67
2.3.2 Heizungsanlagenverordnung 1982 68
2.3.3 Heizungsanlagenverordnung 1989 69
2.3.4 Heizungsanlagenverordnung 1994 69