Wirtschaftlichkeit von Energieeinsparmaßnahmen an Gebäuden im Bestand

Inhaltsverzeichnis:

1. Einleitung

2. Umsetzung des Wärmeschutzes
2.1 Entwicklung des Wärmeschutzes
2.1.1 Fazit
2.2 Bauzeitstandards
2.3 Entwicklung der Baukonstruktion im 20. Jahrhundert

3. Einleitung
3.1.1 Systematische Darstellung
3.1.2 Fazit

4. Modernisierungsmaßnahmen
4.1 Aktuelle Anforderungen
4.1.1 Anforderungen der EnEV an den Neubau
4.1.2 Anforderungen der EnEV an Bestandsgebäude
4.2 Fördermaßnahmen
4.2.1 Einleitung
4.2.2 KfW- CO2- Gebäudesanierungsprogramm
4.2.3 Modellvorhaben „Niedrigenergiehaus im Bestand“
4.2.4 KfW- Programm „Wohnraum Modernisieren“
4.2.5 Programm „Energiesparberatung vor Ort“
4.2.6 Marktanreizprogramm (Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien )
4.2.7 Kraft- Wärme- Kopplungsgesetz (KWK- Gesetz)
4.3 Energetische Modernisierungsmaßnahmen
4.3.1 Energetischer Modernisierungsstandard 1a
4.3.2 Energetischer Modernisierungsstandard 1b
4.3.3 Energetischer Modernisierungsstandard 2
4.3.4 Energetischer Modernisierungsstandard 3
4.3.5 Leistungsverzeichnisse

5. Kosten und Nutzen
5.1 Grundlagen der Monatsbilanzberechnung
5.1.1 Anforderungen
5.1.2 Kalkulation der Energieersparnis
5.1.3 Kalkulation der Modernisierungskosten
5.1.4 Grundlagen der Finanzierung
5.2 Bewertung der Maßnahmen

6. Bewertungsprogramm

7. Quellenverzeichnis

1. Einleitung

In einer Zeit, in der Themen wie Ölpreisentwicklung, Klimawechsel und Umweltkatastrophen immer wieder in den Focus der Öffentlichkeit treten, ist die Frage der Energieeinsparung zum Schutz der Umwelt allgemein präsent. So beanspruchte der Bereich des Wohnungswesens im Jahr 2001 etwa ein Drittel des Gesamtenergieverbrauches Deutschlands für sich [10].

Dabei stammen etwa 74% der Wohngebäude aus der Zeit, (vor 1977) in der keine gesetzlichen Anforderungen, an den baulichen Wärmeschutz gestellt wurden [10]. Dieser spielte in früheren Zeiten beim Wohnungsbau eine eher untergeordnete Rolle. Die Gründe hierfür lagen zum einen an den fehlenden technischen Möglichkeiten, aber auch an der ausreichenden Verfügbarkeit billiger Heizenergie [11].

Unweigerlich vollzieht sich an den Bestandsgebäuden durch Alterungs- und Abnutzungserscheinungen, ein unentwegter Instandsetzungsprozess. Ausgehend von einer heute üblichen Lebenszeit eines Gebäudes von 80-100 Jahren, kann man etwa von drei bis vier Instandsetzungsmaßnahmen der besonders beanspruchten Bauteile, wie Dächern, Fenstern oder Türen ausgehen [10].

Hier setzt die Thematik dieser Diplomarbeit an, die den Aspekt der Wirtschaftlichkeit verschiedener energetischer Modernisierungsmaßnahmen untersucht.

Grundlage für die späteren Arbeitsschritte war die Untersuchung der Entwicklung und Umsetzung des Wärmeschutzes in der Vergangenheit und die Möglichkeiten der Förderung von energetischen Modernisierungsmaßnahmen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen, wurden verschiedene Verbesserungskonzepte mit unterschiedlichen Anforderungen entwickelt. Für diese wurden Leistungsverzeichnisse erstellt, mit deren Hilfe die entsprechenden Kosten ermittelt wurden.

Exemplarisch wurden die entwickelten Verbesserungsmaßnahmen an einem Beispielgebäude berechnet und kalkuliert. Die dafür notwendigen Werte wurden auf Grundlage des Monatsbilanzverfahrens ermittelt.

Auf Basis der gesammelten Erkenntnisse und Daten, wurde ein Bewertungsprogramm entwickelt, welches auf einem Flächenschätzverfahren und den Berechnungen und Verfahren der DIN 4108-6 und der DIN 4701-10 aufbaut. So ist es möglich, mit wenigen Eingaben, komplette Modernisierungsmaßnahmen oder Einzelmaßnahmen in kürzester Zeit bewerten lassen zu können. Für die dafür notwendige Kostenkalkulation können individuelle finanzielle Rahmenbedingungen simuliert werden, dabei besteht auch die Möglichkeit entsprechende Bundesfördermittel berücksichtigen zulassen.

2. Umsetzung des Wärmeschutzes

2.1 Entwicklung des Wärmeschutzes

Der Begriff des Mindestwärmeschutzes fand bereits Anfang der 20er Jahre in den Empfehlungen der preußischen Wohnungswirtschaft Erwähnung. Dabei wurden unter dem Eindruck der damaligen Kohleknappheit [11] Aussagen zur Begrenzung der Fensterflächen aus „wärmetechnischen Gründen“, oder der Wichtigkeit der „Wahl der Baustoffe und Wandstärken, unter dem Gesichtspunkt möglichst geringer Wärmedurchlässigkeit und möglichst großer Wärmespeicherung“ [12], getroffen.

Im Jahr 1952 wurde der „Mindestwärmeschutz“ in der DIN 4108 „Wärmeschutz im Hochbau“ [1] festgeschrieben. Dieser orientierte sich an den damals üblichen Wandstärken [12] und legte nicht zu unterschreitende Wärmedurchlasswiderstände für Bauteile von Aufenthaltsräumen fest. Diese wurden für drei klimatisch unterschiedliche Wärmedämmgebiete weiter differenziert.

Für „leichte“ Außenwände und Decken (<300kgm²) wurden in Abhängigkeit zum jeweiligen Gewicht zusätzliche Mindestwärmedurchlasswiderstände angegeben.

Die festgelegten Höchstwerte sollten vor allem einem gesunden Wohnklima (Vermeidung von Schimmelpilzbildungen) und dem Bautenschutz, weniger jedoch der Energieeinsparung dienen.

Die DIN 4108 wurde in den Jahren 1960 und 1969 überarbeitet [2], wobei der Großteil der Anforderungen durch die Wärmdurchlasswiderstände mit denen von 1952 übereinstimmen. Zusätzlich wurden zur Vermeidung von Tauwasseranfall, Mindestdicken für Außen-, Wohnungstrenn- und Treppenraumwände, in Abhängigkeit zu den drei Wärmedämmgebieten festgelegt.

Weitergehend wurde der Einbau von Doppel- und Verbundfenstern in Aufenthaltsräumen empfohlen, für das Wärmedämmgebiet 3 vorgeschrieben. Spezifische Anforderungen wurden jedoch nicht formuliert.

In den Jahren 1974 und 1975 wurden, vor dem Hintergrund der ersten Ölkrise, Beiblätter und ergänzende Bestimmungen [3] zur DIN 4108 von `69 veröffentlicht.

Durch den Wegfall des ersten und die neue Zuteilung zum bisherigen zweiten Wärmedämmgebiet, wurden die Anforderungen gegenüber 1969 verschärft.

Es wurden Mindestwerte für Bauteile festgelegt und nach dem Bauteilverfahren erbracht (km,w+F <1,4W/m²). Zusätzlich wurden Anforderungen durch den mittlere Wärmedurch-gangskoeffizienten km, max und den geschossweise mittleren Wärmedurchgangkoeffizienten km(w+f) (in Abhängigkeit vom F/V Verhältnis) definiert. Dadurch sollte eine gewisse Freiheit bei der Planung von Wärmedämmmaßnahmen gegeben werden.

Erstmals wurden Mindestanforderungen an den Wärmedurchgangskoeffizienten von Fenstern (kF), in Abhängigkeit der Konstruktion und Rahmenausführung gestellt. Des Weiteren wurde durch die Definition des Fugendurchlasskoeffizienten (a), Anforderungen an die Dichtheit der Fenster gestellt.

Im Jahr 1976 wurde das Energieeinspargesetz (EnEG) [4] verabschiedete und 1980 nochmals modifiziert. Die Gründe hierfür waren zum einen, eine gesetzliche Grundlage zur CO2 Emissionsreduzierung zuschaffen, aber auch der Wunsch, sich von der Abhängigkeit importierter Energieträger zulösen. Das EnEG ist die Rechtsrundlage für alle zukünftigen Verordnungen im Bereich der Energieeinsparung.

1977 trat die erste Wärmeschutzverordnung (1. WschV) [5] in Kraft. Das Ziel dieser Verordnung war eine Reduzierung des Energiebedarfs für neu zu errichtende Gebäude. Es wurden zum ersten Mal gesetzliche Anforderungen an den Wärmeschutz gestellt. Basierend auf den Beiblättern vom `74 und `75 der DIN 4108 (siehe oben) gab es zwei Nachweisverfahren zur Ermittlung des Wärmeschutzes.

Das eine war das km Verfahren, mit leicht modifizierten Tabellenwerte, das andere war das Bauteilverfahren, jedoch mit neuen Maximalwerten. Der maximale Wert km(w+F) einer Außenwand einschließlich Fenster durfte 1,45 W/(m²k) nicht überschreiten.

Im Jahr 1981 wurde die DIN 4108 [6] novelliert. Eine Berücksichtigung der Wärmedämmgebiete findet nicht mehr statt. Des Weiteren bezieht sich der Geltungsbereich auf Aufenthalts- und deren Nebenräume, die mit mindestens 19°C beheizt wurden. Zusätzlich wurde der Gesamtenergiedurchlassgrad (gF) für Fenster neu eingeführt. Welcher sich aus der Art der Verglasung (g) und dem Abminderungsfaktor (z) für Sonnenschutz zusammensetzte.

Vor dem Hintergrund von drastisch erhöhten Brennstoffpreise (um ca. das Doppelte) trat 1984 die zweite Wärmeschutzverordnung (2.WschV) [13] in Kraft.

Es galten weiterhin zwei Nachweisverfahren. Die km,max Werte wurden um 25% verschärft. Auch der km(w+F)- Wert wurde, z.B. für Außenwände, auf 1,20 W/(m²k) erhöht. Der geschossweise km(w+f)- Wert wurde abgeschafft und somit eine Erleichterung in der Auswahl der Konstruktion für große Gebäude erreicht. [13]

Es wurden erstmals Anforderungen an einen Wärmeschutz bei baulichen Veränderungen an bestehenden Gebäuden verlangt.

Aufgrund der Klimaschutzinitiative der Bundesregierung wurde 1995 die dritte Wärmeschutzverordnung[14] auf den Weg gebracht. Die Anforderungen gegenüber der 2. WschV wurden noch einmal um 30% erhöht.

Erstmals orientieren sich die Anforderungen am Jahresheizwärmebedarf (QH) als Zielgröße. Dabei wurden Transmissions- und Lüftungswärmeverluste sowie interne und solare Gewinne berücksichtigt. Nicht berücksichtigt wurden jedoch Wärmebrückeneffekte, Luftundichtheiten, spezielles Nutzerverhalten, Heizungsart und -betriebsweise, der Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit sowie regional unterschiedliche Klimabedingungen.

Diese Zielgröße konnte zum einen auf das Volumen, zum anderen auf die Gebäudenutzfläche bezogen werden. Damit wurde das alte km,max -Berechnungsverfahren durch das Energiebilanzverfahren ersetzt.

Für Baumaßnahmen an Altbauten galten weiter hin die Anforderungen an die einzelnen Bauteile.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.0 Heizölverbrauch von zentral beheizten Mietwohnungen

Die kontinuierliche Verschärfung der Anforderungen an den Wärmeschutz durch Normen und Gesetze im Zusammenhang mit der Ölpreisentwicklung lässt sich gut an der Abbildung 1.0 nachvollziehen.

Die DIN 4108 wurde 2001 novelliert, wobei die grundlegenden Bestandteile gleich geblieben sind. Dem Aspekt der Wärmebrücken wurde mehr Bedeutung beigemessen. Die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz wurden durch Höchstwerte für Fensterflächen, unterhalb derer kein sommerlicher Wärmeschutz nötig ist, konkretisiert.

2002 trat die Energieeinsparverordnung (EnEV) [15] in Kraft. In ihr wurden die Wärmeschutz- und Heizungsanlagenverordnung zusammengeführt. Die Ziele der ENEV sind die Verschärfung der energetischen Anforderungen (um 30% gegenüber der 3. WschV von 1995), Förderung innovativer Anlagentechnik und den Abgleich der deutschen mit den EU-Regelungen.

Der aktuelle Mindestwärmeschutz wird durch die DIN 4108 aus dem Jahre 2003 definiert. Große und erwähnenswerte Unterschiede zur novellierten Fassung von 2001 sind dabei aber nicht in Erscheinung getreten.

2.1.1 Fazit

Bedingt durch die vielschichtigen Veränderungen in der Vergangenheit, hat sich die Zielsetzung des Wärmeschutzes seit der Einführung der DIN 4108 vom Bautenschutz und hygienischen Wohnen zum konsequenten Klimaschutz entwickelt.

2.2 Bauzeitstandards

Das Baualter bildet ein wichtiges Merkmal für die Bewertung des Wärmeschutzes eines Gebäudes, denn jede „Bauepoche“ hat seine allgemein üblichen Konstruktionsweisen und Baustoffe, aber auch typische Bauteilflächen (z.B. Fensterflächenanteil), die sich über die Jahre und den entsprechenden politischen oder wirtschaftlichen Einflüssen verändert haben. [16]

Um diese „Bauepochen“ in entsprechende Zeitspannen einteilen zu können, wurden als nachvollziehbarer und charakteristischer Gradmesser die jeweiligen Zeitpunkte der Änderung oder Einführung von Normen und Verordnungen bezüglich des Wärmeschutzes, herangezogen. Durch diese Zeitpunkte haben sich fünf Zeitspannen ergeben, die im nachfolgend Bauzeitstandards (BZS) genannt werden.

Die jeweiligen Anforderungen der BZS sind in den Anlagen Seite 1-7 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Entwicklung der Baukonstruktion im 20. Jahrhundert

3. Einleitung

Zu Anfang des 20. Jahrhunderts ist der traditionelle Ziegelbau mit Holzbalkendecken vorherrschend. Die Wandstärken der Stadthäuser zur Jahrhundertwende, differierten dabei, je nach regional klimatischen Einflüssen, zwischen 25-38cm und 38-51cm. Die Maße der verwendeten Steine (hauptsächlich Vollziegel, teilweise auch KS-Vollsteine) entsprechen noch dem Reichsformat [17]. Charakteristisch für diese Gebäude sind vor allem die großräumigen Wohnungen mit hohen Geschossdecken und die mit Stuck oder Mauerwerksornamentik versehenen Fassaden, die vielfach unter Denkmalschutz stehen [18].

Die Gebäude der Zwischenkriegszeit sind bezüglich der Bauweise und ihrer Ästhetik sehr viel heterogener. Die Wohnungsgrundrisse und Wandstärken werden nun wesentlich kleiner dimensioniert [19].

Um der Wohnungsnot nach dem Zweiten Weltkrieg gerecht zu werden, war man gezwungen Wohnraum auf einfachste und schnellste Weise zu erstellen. Die Nachkriegsbebauung ist daher stellenweise von schlechter Bausubstanz gekennzeichnet [20]. Tendenziell finden sich in den Einfamilienhäusern etwas aufwändigere Konstruktionen als in den meisten Mehrfamilienhäusern, die auf das bautechnische Minimum beschränkt waren [18]. In der Folgezeit werden insbesondere Wände aus Hochlochziegeln und Lochleichtbausteinen (z.B. „Gasbeton“ oder KS L) mit einer Stärke von 24cm errichtet [21].

Mit den Boomjahren der 1960er Jahre und der Industrialisierung des Bauens kommt vermehrt Beton, beispielsweise als 25-32cm starke Leichtbetonwände, Wände aus Normalbeton mit Dämmung (Holzwolle-Leichtbauplatten etc.) oder auch mehrschichtige Außenwandelemente (Sandwichelemente), zum Einsatz [22]. Erstmals werden auch gesundheitsschädliche Baustoffe, wie Asbest oder lindanhaltige Holzschutzmittel, verwendet. Die Architektur ist durch gerasterte Beton- und Putzfassaden oder schlichtem Sichtmauerwerk gekennzeichnet. Die Fenster sind meist großformatig und aus Isolierverglasung. Ein zusätzliches charakteristisches Merkmal dieser Zeit sind die Flachdächer mit betonter Attika [18].

Die Wohnungsgrundrisse sind Ergebnis einer eher funktional ausgerichteten Architektur, wobei sie aber im Gegensatz zu vorherigen Bauperioden viele großzügiger dimensioniert sind [19].

In den 1970 und 1980er Jahren treten veränderte, bzw. erweiterte Konstruktionen auf, wie z.B. das zweischalige Mauerwerk mit Wärmedämmung und Luftschicht. Neu sind Thermohautsysteme mit außenseitiger, verputzter Dämmung auf einschaligem Mauerwerk. An den Fenstern kommt im steigenden Maße Kunststoff als Rahmenmaterial zum Einsatz [18].

3.1.1 Systematische Darstellung

Die folgende Darstellung hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie repräsentiert lediglich die typischen Baukonstruktionen der jeweilig festgelegten Zeitspannen im Zusammenhang mit den seiner Zeit geltenden Anforderungen an den Wärmeschutz.

Überschneidungen der Bauteile zwischen den einzelnen BZS sind möglich und folgerichtig, da die Bautechnik und die dazugehörigen Baustoffe zu einem dynamischen, aber vor allem einem fortlaufender Prozess gehören.

Aufgrund der überwiegenden baukonstruktiven Ähnlichkeit, wird keine Unterscheidung zwischen Ein- und Mehrfamilienhäusern getroffen.

Die ermittelten U-Werte der Bauteile basieren auf den Daten und Größen von [7], [15], [16], [18] und [23]. Die errechneten Werte liegen auf der „sicheren Seite“, da die Ausgangparameter im Regelfall ungünstig gewählt wurden.

Für Hochlochziegel und KS-Lochsteine wird in der folgenden Darstellung nur noch von Lochsteinen gesprochen, die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten wurden dabei für die U- Wertbestimmung berücksichtigt.

Die jeweiligen Anforderungen an den Wärmeschutz und die zugehörigen Berechnungen, sind in den Anlagen Seiten 1, 2, 3, 4 und 5 ersichtlich .

In den BZS 4 und 5 wurden die entsprechenden Anforderungen an den Wärmeschutz aus der jeweils geltenden DIN 4108-2 und den Wärmeschutzverordnungen kombiniert, die Wärmedurchgangskoeffizienten für Außenwände wurden dafür durch das Km-Verfahren ermittelt. (siehe Anlagen Seite 1-7)

Bauzeitstandart 1 (1900-1951)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.1.2 Fazit

Die Anforderungen an den Wärmeschutz werden weitesgehend erfüllt, was aber keine Überraschung sein sollte, da bis zur ersten Ölkrise die Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz eher an den damals gängigen Baustoffe und Konstruktionen orientiert waren als umgekehrt.

Dennoch haben sich die energetischen Eigenschaften der Außenbauteile (speziell die Mauersteine) größtenteils im Laufe der Zeit kontinuierlich verbessert, was sich eher mit Pragmatik als mit Wärmeschutz begründen lässt. Durch die Erhöhung des Volumens der Baustoffe und somit der Reduzierung der jeweiligen Dichte (z.B. Vollziegel> Lochziegel), wurden zum einen die Bauteile leichter und besser zu verarbeiten, zum anderen bewirkte es auch eine Materialersparnis und die Möglichkeit größere Bausteine herzustellen. Die damit einher gehende Reduzierung des Fugenanteils und die Weiterentwicklung des Mörtels, bewirkten eine weitere kleine Verbesserung des Wärmeschutzes der Außenwände.

Bedingt durch die „neuen“ Konstruktionen (z.B. mehrschichtige Wandaufbauten), lässt sich eine signifikante wärmetechnische Verbesserung der Bauteile erst seit den 70er Jahren beobachten, was sich auch auf die erhöhten Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz zurückführen lässt. Durch die Weiterentwicklung der Fenstermaterialien (Rahmen und Verglasung) und die verbesserten Trockenbautechniken (besser gedämmte und luftdichtere Dachgeschosse) wurde ein weiterer notwendiger Beitrag zur energetischen Verbesserung der Gebäude geleistet.

Die wenigen Überschreitungen der jeweiligen Anforderungen sind verkraft- und vertretbar, und lassen sich auch auf die gewollte „Sichere Seite- Berechnung“ der U- Werte zurückführen.

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