16. Status-Seminar «Forschen und Bauen im Kontext von Energie und Umwelt»

Halten Sanierungen was sie versprechen?

Sandra Stettler, Dipl. Umwelt-Natw. ETH, Geschäftsführerin Egon AG, c/o Basler und Hofmann AG, www.egon-ag.ch Forchstrasse 395, 8032 Zürich, T 044 387 13 54, E [email protected] Zusammenfassung

Abstract

Résumé

Energy online ist ein standardisiertes Messverfahren zur Bestimmung der Energieeffizienz eines Gebäudes. Bei 27 Gebäuden in der Schweiz wurde mit Energy Online überprüft, ob nach einer Sanierung der Gebäudehülle die erwartete Energiekennzahl erreicht werden konnte. Die Resultate zeigen, dass die Gebäude durchschnittlich ca. 40% weniger Energie benötigen als vor der Sanierung. Bei gut 30% der Gebäude wich der ermittelte Energieverbrauch um mehr als 20% vom erwarteten Wert ab. Folgende Gründe für die Abweichungen konnten identifiziert werden: Änderung der Energiebezugsfläche bei der Sanierung, Berücksichtigung der Brauchwassererwärmung und Stillstandsverluste, Raumtemperatur und Benutzerverhalten sowie Konfiguration der Heizung. Mit dem Energy Online Verfahren können in Zukunft Gebäude unabhängig und effizient auf ihren Energieverbrauch überprüft werden. Gleichzeitig gibt Energy online Hinweise auf Optimierungspotential und bestimmt die notwendige Leistung des Brenners. Energy online is a standardised method that determines the energy efficiency of a building. 27 renovated buildings were analysed with energy online in order to control the success of the renovation. In average, a reduction in yearly heating energy consumption of 40% was found. In 30% of the buildings, the energy online results deviated by more than 20% from the expected values. The following reasons were found for this deviation: Changes in the heated area of the building, consideration of the water for domestic use and of circulation losses, room temperatures, behaviour of the inhabitants and configuration of the heating system. The energy online method can be used to control the energy efficiency of buildings in an independent and efficient way. At the same time, energy online shows optimisation potential and determines the necessary capacity of the burner. 2./3. September 2010 – ETH-Zürich

1

1.

Ausgangslage

Bund und Kantone werden bis im Jahr 2020 jährlich 200 Millionen CHF Fördergelder für die Gebäudesanierung zur Verfügung stellen. Diese Gelder werden an Gebäudebesitzer ausbezahlt, welche die Gebäudehülle sanieren und dadurch den CO2-Ausstoss des Gebäudes reduzieren. Je höher die CO2-Einsparung ist, umso mehr Fördergelder erhält ein Gebäudebesitzer. Dies ist zumindest die Theorie. In der Praxis erhalten Gebäudebesitzer die Fördergelder aufgrund von Angaben zu den geplanten Sanierungsmassnahmen. Daraus wird berechnet, welchen Effekt diese Massnahmen auf den Energieverbrauch haben. Bei 5% der sanierten Gebäude werden die baulichen Massnahmen überprüft. Bisher gab es aber keine unabhängige Kontrolle, ob die Sanierungen tatsächlich zum erwarteten Rückgang des Heizenergieverbrauchs führen. Mit dem Energy online Verfahren wurde eine Methode entwickelt, mit der erstmals die tatsächlich erzielte Energieeinsparung nach einer Sanierung kostengünstig, unabhängig und innerhalb kurzer Zeit bestimmt werden kann. Damit ist es möglich, die Effizienz einer Gebäudesanierung zu überprüfen. In den Heizsaisons 2008/09 und 2009/10 wurden insgesamt 27 sanierte Gebäude mit dem Energy online Verfahren untersucht. Diese Projekte wurden unterstützt durch die Stiftung Klimarappen, das Amt für Umwelt und Energie des Kantons Basel-Stadt, die Dienststelle Umwelt und Energie des Kantons Luzern und die Abteilung Umweltschutz der Stadt Luzern. Ziel der Untersuchungen war: x den tatsächlichen Heizenergieverbrauch und die Energiekennzahl eines Gebäudes zu bestimmen x den energetischen Erfolg von Sanierungsmassnahmen zu verifizieren x zu analysieren, ob der Heizenergieverbrauch eines Gebäudes mit den Erwartungen (Berechnungen aufgrund der Gebäudeeigenschaften) übereinstimmt x "Energielecks" und Energiesparpotentiale in Gebäuden zu entdecken

2.

Vorgehen

2.1

Untersuchte Gebäude

Es wurden insgesamt 27 sanierte Gebäude in den Regionen Zürich, Basel, Aargau und Luzern untersucht. Der grösste Teil davon waren Wohnbauten. Aber auch 3 Büros und eine Gewerbebaute waren vertreten. Bei allen Gebäuden wurden mindestens die Fenster und die Fassade saniert. Bei den meisten Gebäuden wurde zusätzlich auch die Decke und der Boden isoliert. Es handelt sich somit durchwegs um Gebäude, bei denen eine hohe Wirkung der Sanierung erwartet wurde. Für jedes Gebäude waren Angaben des Gebäudebesitzers zum Energieverbrauch vor der Sanierung vorhanden. Bei 9 Gebäuden war zusätzlich eine SIA 380/1-Berechnung vorhanden, die aufzeigte welcher Energieverbrauch nach der Sanierung erwartet wurde. Bei den restlichen Gebäuden war der erwartete Energieverbrauch nach der Sanierung mit einem vereinfachten Rechenmodell (Einsparrechner [1]) abgeschätzt worden. Der erwartete Energieverbrauch wurde uns von den für das jeweilige Sanierungsprogramm zuständigen Personen zur Verfügung gestellt. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die untersuchten Gebäude.

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4000

Erwartungswert basiert auf Energiesparrechner

Erwartungswert basiert auf SIA 380/1

3500

Energiebezugsfläche (m2)

3000 2500 2000

EFH MFH

1500 1000

Schule, Büro Gewerbe

500 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 25 26 27 Gebäude ID

Abb. 1: Energiebezugsflächen und Nutzungsart der untersuchten Gebäude.

2.2

Energy Online Methode

Das Energy Online Verfahren ist für Öl- und Gasheizungen anwendbar. Beim Heizsystem des Gebäudes wird eine Hardware installiert, welche den Heizenergieverbrauch misst und die Messdaten täglich via GPRS an einen zentralen Server schickt. Zusätzlich werden aus Wettermodellen und Satellitenbildern Daten zur lokalen Umgebungstemperatur und solaren Globalstrahlung ermittelt und gemeinsam mit den Messdaten auf dem zentralen Server gespeichert. Eine eigens für das Projekt entwickelte Software analysiert und visualisiert die Daten. Alle Daten, Grafiken und Resultate werden in einer passwortgeschützten Umgebung gespeichert und sind permanent via Internet zugänglich. Eine eigens für Energy online entwickelte Software analysiert und visualisiert die Daten [2]. Dabei werden die Messwerte des täglichen Heizenergieverbrauchs mit der Aussentemperatur und der Sonneneinstrahlung korreliert. Abbildung 2 zeigt an einem Beispiel die Korrelation der mittleren täglichen Heizleistung mit der durchschnittlichen täglichen Aussentemperatur. Diese Korrelation erlaubt es, den Heizenergieverbrauch eines bestimmten Gebäudes für eine gegebene Aussentemperatur und Globalstrahlung zu prognostizieren.

Heizgrenze ca. 19 °C

Verbrauch für Warmwassererwärmung und Stillstandsverluste

Abb. 2: Tagesmittelwerte der Heizleistung in Abhängigkeit der Aussentemperatur. Mit diesen Messpunkten können die Heizleistungskurve, die Heizgrenze sowie die notwendige Leistung zur Warmwassererwärmung und für Stillstandsverluste bestimmt werden. 16. Status-Seminar – 2./3. September 2010 – ETH-Zürich

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Aus der Klimadatenbank Meteonorm [3] werden die Tagesmittelwerte der Aussentemperatur und der Globalstrahlung für den Standort des Gebäudes in einem durchschnittlichen Jahr ermittelt. Mit Hilfe der oben beschriebenen Korrelation zwischen Heizenergieverbrauch und meteorologischen Daten kann für jeden Tag in einem durchschnittlichen Jahr der Heizenergieverbrauch prognostiziert werden. Mit der Energy Online Methode können nach einer Messzeit von wenigen Monaten folgende Resultate berechnet werden: x Energiekennzahl des Gebäudes sowie Heizenergieverbrauch in einem durchschnittlichen Jahr x Anteil Energie, der für die Erwärmung des Brauchwassers und für Zirkulationsverluste benötigt wird x Verschiedene Informationen zur Konfiguration des Heizsystems, wie z.B. Heizgrenze, Effizienz der Nachtabsenkung, benötigte Brennerleistung etc. Alle Daten, Grafiken und Resultate werden in einer passwortgeschützten Umgebung gespeichert und sind permanent via Internet zugänglich. Die Resultate weisen eine Ungenauigkeit von ± 10% auf.

3.

Resultate

3.3

Ermittelte Energiekennzahlen und Höhe der Energieeinsparung

Abbildung 3 vergleicht den Energieverbrauch der Gebäude vor der Sanierung mit dem durch Energy online ermittelten Energieverbrauch nach der Sanierung. Der Energieverbrauch vor der Sanierung stammt aus einer Selbstdeklaration der Gebäudebesitzer und umfasst sowohl den Heizenergieverbrauch wie auch den Energieverbrauch für Brauchwassererwärmung und Zirkulationsverluste. Durchschnittlich konnte der Energieverbrauch der Gebäude mit der Sanierung um 41 % gesenkt werden. Im Mittelwert liegt der Energieverbrauch der Gebäude nach der Sanierung noch bei 88 kWh/m2/Jahr, der Heizenergieverbrauch noch bei 61 kWh/m2. Rund 35% des Energieverbrauchs werden nicht zum Heizen sondern für die Erwärmung von Brauchwasser sowie für Zirkulations- und Stillstandsverluste benötigt.

Energieverbrauch (kWh/m2)

250

Energieeinsparung durch Sanierung Energieverbrauch Warmwasser & Zirkulationsverluste Sommer (kWh/m2) Energieverbrauch Warmwasser & Zirkulationsverluste Heizsaison (kWh/m2) Energieverbrauch Heizung (kWh/m2/Jahr)

200

150

100

50

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 25 26 27 Gebäude ID Abb. 3: Mit Energy online ermittelter Energieverbrauch für Heizung, Brauchwassererwärmung und Stillstandsverluste sowie die ermittelte Energieeinsparung durch die Sanierung.

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Abbildung 4 zeigt auf, um wie viele Prozent der mit Energy online ermittelte Energieverbrauch vom erwarteten Wert abweicht. Eine positive Abweichung bedeutet, dass der ermittelte Energieverbrauch höher ist als erwartet wurde.

Abweichung des Energieverbrauchs gemäss Energy Online vom erwarteten Energieverbrauch

80% 60% 40% 20% 0% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

-20% -40%

Abweichung Energieverbrauch vom Resultat des Energiesparrechners

-60% ID des Gebäudes

Abweichung Heizenergieverbrauch vom Resultat der SIA 380/1

Abb. 4: Prozentuale Abweichung des mit Energy online ermittelten Energieverbrauchs vom erwarteten Energieverbrauch. Positive Abweichungen bedeuten, dass Energy online einen höheren Energieverbrauch ermittelt, als erwartet worden war. Negative Abweichungen bedeuten, dass Energy Online einen tieferen Energieverbrauch ermittelt, als erwartet worden war.

Für die Gebäude Nr. 19 bis 27 wurde der mit Energy Online ermittelte Heizenergieverbrauch mit dem erwarteten Heizenergieverbrauch gemäss SIA 380/1 verglichen. Die Standardabweichung zwischen den beiden Werten beträgt 5%. Tendenziell ist der Energieverbrauch leicht höher als erwartet. Für die Gebäude Nr. 1 bis 18 wurde der mit Energy Online ermittelte Energieverbrauch mit dem erwarteten Energieverbrauch gemäss Energiesparrechner verglichen. Der Energieverbrauch für die Brauchwassererwärmung und die Stillstandsverluste sind somit bei diesen Gebäuden im Erwartungswert mit berücksichtigt worden. Die Standardabweichung beträgt 35 %. Bei vier Gebäuden wurde ein um mehr als 20% höherer Energieverbrauch ermittelt, als erwartet worden war. Bei fünf Gebäuden ein um mehr als 20% tieferer Energieverbrauch. 3.4

Ursachenanalyse für Abweichungen zwischen erwartetem und ermitteltem Energieverbrauch

Die Resultate zeigen teilweise starke Abweichungen zwischen dem erwarteten und dem ermittelten Energieverbrauch nach der Sanierung. Die Abweichungen können sowohl negativ wie auch positiv sein. Eine Ursachenanalyse hat gezeigt, dass nicht nur bauliche Effekte wie z.B. eine schlechte Bauqualität dafür verantwortlich sind. Folgende zusätzlichen Ursachen führen dazu, dass der Energieverbrauch nach einer Sanierung oft nicht mit dem erwarteten Energieverbrauch übereinstimmt: x x

Reboundeffekte Zuverlässigkeit der Berechnungsgrundlagen

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x x x x x x

Qualität der Berechnungsmodelle Brauchwarmwassererwärmung Zirkulations- / Stillstandsverluste Suboptimale Konfiguration der Heizung (Heizgrenze, Leistung des Brenners) Hohe Raumtemperaturen Benutzerverhalten

Diese Faktoren werden im folgenden kurz diskutiert. Reboundeffekte Gleichzeitig mit der Sanierung der Gebäudehülle wurde bei einigen Gebäuden die Energiebezugsfläche vergrössert. Obwohl die Energiebezugsfläche bei einzelnen Gebäuden um bis zu 50% zunahm, wurde dies im Erwartungswert bei der Methode "Energiesparrechner" ursprünglich nicht berücksichtigt. Für unsere Analyse haben wir den Reboundeffekt nachträglich mit berücksichtigt. Der Ausbau eines Gebäudes während einer Sanierung verringert den Energiespareffekt deutlich. Zuverlässigkeit der Berechnungsgrundlagen Insbesondere für die Berechnung des erwarteten Energieverbrauchs mit dem Energiesparrechner war der bisherige Energieverbrauch gemäss Selbstdeklaration der Gebäudebesitzer eine wichtige Grundlage. Diese Werte weisen eine hohe Unsicherheit auf, da oft nur die gekaufte Ölmenge in einem einzelnen Jahr angegeben wurde. Dies entspricht nicht unbedingt der tatsächlich verbrauchten Menge während einem Jahr. Um Klimaeffekte zu vermindern, haben wir den angegebenen Verbrauch mit Hilfe der Heizgradtage auf ein durchschnittliches Jahr korrigiert. Qualität der Berechnungsmodelle Das Berechnungsmodell "Energiesparrechner" weist viele Vereinfachungen auf. Teilweise waren nicht einmal die U-Werte des Gebäudes bekannt und es wurde deshalb mit durchschnittlichen UWerten für ein Gebäude dieses Alters gerechnet. Dies führt zu einer hohen Unsicherheit der berechneten Erwartungswerte. In der SIA 380/1 Berechnung wird nur der effektive Wärmebedarf berechnet, nicht der Energieverbrauch. Wirkungsgradverluste der Heizung und insbesondere auch Transmissionsverluste über die Leitung werden nicht berücksichtigt. Das Gebäude Nr. 27 weist sehr lange Heizleitungen auf. Die Abweichung zwischen dem Energiebedarf gemäss SIA 380/1 und dem mit Energy online ermittelten Verbrauch entsteht höchstwahrscheinlich durch die Transmissionsverluste der Heizungsleitung. Brauchwarmwassererwärmung Unsere Untersuchungen zeigen, dass bei gut isolierten Wohnbauten der Energieverbrauch zur Brauchwassererwärmung bei durchschnittlich ca. 40% liegt. Trotzdem wird dieser Energieverbrauch in der SIA 380/1 Berechnung nicht berücksichtigt. Es bestehen wenig Untersuchungen über den Energieverbrauch für die Brauchwassererwärmung. Ebenso fehlen aussagekräftige Referenzwerte für den Energieverbrauch zur Brauchwassererwärmung und zuverlässige Simulationsprogramme. Zirkulations- / Stillstandsverluste Suboptimale Konfiguration der Heizung (Heizgrenze, Leistung des Brenners) Nach der Sanierung war der installierte Heizbrenner bei den untersuchten Gebäuden um durchschnittlich 160% zu gross. Eine zu hohe Brennerleistung reduziert den Wirkungsgrad der Heizung und erhöht die Zirkulations- und Stillstandsverluste. Bei fast keinem Gebäude wurde nach der Sanierung das Heizsystem angepasst. Die Heizgrenze lag z.B. bei durchschnittlich 14 °C. Bei einem gut isolierten Gebäude ist eine Heizgrenze von 8 bis 12 °C ideal. Durch das Senken der Heizgrenze und eine Optimierung der Nachtabsenkung könnten durchschnittlich bis zu 5 % der Heizenergie eingespart werden. 6

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Hohe Raumtemperaturen Bei 9 Gebäuden wurden auch die Raumtemperaturen erfasst. Es zeigte sich, dass die Raumtemperaturen bei durchschnittlich 22 °C lagen. Bei keinem der untersuchten Gebäude lag die Raumtemperatur unter 21°C. Eine Analyse des Energieverbrauchs zeigte, dass mit einer Senkung der Raumtemperatur auf durchschnittlich 20°C ca. 12% Heizenergie eingespart werden könnten. Bei der Berechnung des erwarteten Energieverbrauchs wird üblicherweise von einer Raumtemperatur von 20°C ausgegangen. Benutzerverhalten Mit unseren Analysen konnten wir individuelles Benutzerverhalten wie z.B. das Lüften der Fenster oder längere Ferienabwesenheiten nicht untersuchen. Besonders bei Einfamilienhäusern hat das individuelle Benutzerverhalten einen starken Einfluss auf den Heizenergieverbrauch.

4.

Schlussfolgerungen

Unsere Untersuchungen zeigen, dass durch eine energetische Sanierung der Gebäudehülle eine Energieeinsparung von ca. 40% erreicht werden kann. Nach der Sanierung weist ein grosser Teil der Gebäude eine Energiekennzahl von 50 bis 60 kWh/m2/Jahr für den Heizenergieverbrauch auf. Dies liegt im Bereich der Minergie-Vorgaben für Altbauten. Der Sanierungserfolg wird mit Simulationen wie z.B. SIA 380/1 oder dem Energiesparrechner nur teilweise korrekt prognostiziert. Die SIA 380/1 Berechnungen liefern keine Informationen zum Energieverbrauch zur Brauchwassererwärmung und für Zirkulations-, Leitungs- oder andere Verluste. Besonders bei gut isolierten Wohnbauten macht die Heizenergie aber nur etwas mehr als die Hälfte des gesamten Energieverbrauchs eines Gebäudes aus. Vereinfachte Berechnungsprogramme wie z.B. der Energiesparrechner prognostizieren den Sanierungserfolg oft sehr ungenau. Ursachen dafür sind, dass der frühere Energieverbrauch und Zustand des Gebäudes häufig nicht ausreichend bekannt sind. Eine wichtige Erkenntnis unserer Untersuchungen ist, dass ein beträchtlicher Teil der Gebäudebesitzer gleichzeitig mit der Sanierung eine Vergrösserung der Energiebezugsfläche vornimmt. Dieser Reboundeffekt führt dazu, dass die Energieeinsparung teilweise durch den Ausbau zunichte gemacht wird. Die Analysen der Raumtemperaturen und der Heizungskonfiguration zeigen auf, dass der Heizenergieverbrauch ohne Kosten um bis zu 20% reduziert werden könnte. Dazu müsste lediglich die Heizung optimal konfiguriert und die Raumtemperatur auf durchschnittlich 20°C eingestellt werden. Für Gebäudebesitzer können wir aufgrund unserer Resultate folgende Empfehlungen abgeben: Nach einer energetischen Sanierung sollte unbedingt das Heizsystem angepasst oder evtl. ersetzt werden: x Die korrekte Einstellung der Heizgrenze und der Nachtabsenkung kann jährlich bis zu 10% Heizenergie einsparen. x Brenner und Heizkessel sind meistens deutlich grösser als notwendig. Werden diese durch kleinere Geräte ersetzt, reduzieren sich die Stillstandsverluste und der Wirkungsgrad wird besser. x Eine Überprüfung des Systems zur Brauchwassererwärmung lohnt sich. Evtl. ist es sogar sinnvoll, das Wasser im Sommer nicht über die Heizung sondern mit anderen Techniken zu erwärmen.

5.

Ausblick

Unsere Messungen an 27 Gebäuden haben erste Tendenzen aufgezeigt, wie erfolgreich Sanierungen in der Schweiz sind. Jährlich werden in der Schweiz 20'000 bis 30'000 Gebäude saniert. Beim grössten Teil davon werden nur die Fenster isoliert. Unser Ziel ist es, in Zusammenarbeit mit den Gebäudeprogrammen der Kantone in den nächsten Jahren 5% der 16. Status-Seminar – 2./3. September 2010 – ETH-Zürich

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sanierten Gebäude zu untersuchen. Damit soll bei einer repräsentativen Stichprobe der sanierten Gebäude in der Schweiz der Sanierungserfolg untersucht werden. Das Energy online Verfahren wird neu auch Liegenschaftsverwaltungen und Gebäudebesitzern angeboten. Es ist ein wichtiges Instrument, um unabhängig den Erfolg einer Sanierung zu überprüfen und die nächsten Schritte für den Ersatz und die Konfiguration des Heizsystems zu planen.

6.

Literatur/Referenzen

[1]

M. Berg:Methodenpapier 060420, Stiftung Klimarappen, April 2006

[2]

S. Stettler et al.: Energie im Gebäude online (EGon) Hauptphase, Bundesamt für Energie BFE, Schlussbericht, BFE- Projektnummer: 102000, Oktober 2009

[3]

www.meteonorm.com

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