Saisonales Wärmemanagement für Hauptverwaltungsneubau

Gebäudesteckbrief

Projektstatus	Optimiert
Standort	Willy-Brandt-Allee 26, 45891 Gelsenkirchen, Nordrhein-Westfalen
In Betrieb seit	2004
Evaluiert seit	2007
Optimiert seit	2007
Bauherr	Gelsenwasser AG
Bruttogrundfläche	7.100 m2
Beheizte Nettogrundfläche	6.350 m2
Bruttorauminhalt	23.826 m3
Arbeitsplätze	230
Nutzfläche (nach EnEV)	7.624 m2
A/V	0,26 m2/m3
Schwerpunkte	Lüftung + WRG, Regenerative + passive Kühlung, Wärmepumpe, Wärme-/Kältespeicherung, Regelungstechnik, Betriebsführung, Gebäudeautomation, Photovoltaik, Energetische Betriebsoptimierung

Projektbeschreibung

Die Gelsenwasser AG hat 2004 ihre Hauptverwaltung in Gelsenkirchen mit einem architektonisch bemerkenswerten und energetisch anspruchsvollen Neubau erweitert. In den ersten Betriebsjahren zeigte sich, dass das neue Gebäude zwar mit seiner Architektur und auch mit den Raumklimawerten überzeugen kann, nicht jedoch mit den Stromverbrauch – hier gab es erhebliche Differenzen zwischen Planung und Realität. Weil das Gebäudeenergiekonzept wesentlich auf die saisonale Einspeicherung von Wärme und Kälte in das Erdreich setzt und dies eine Fragestellung von allgemeinem Interesse darstellt, wurde das Gebäude einem gründlichen wissenschaftlichen Monitoring unterzogen.

Forschungsfokus

Mit dem mehrjährigen Monitoring von Energieeffizienz und Nutzerkomfort und der energetischen Betriebsoptimierung sollte das Performance-Potenzial des Gebäudes voll ausgeschöpft werden. Dabei werden überwiegend nicht-investive Maßnahmen angewendet, um Energieeffizienz, Nutzerkomfort und Wirtschaftlichkeit nachhaltig zu verbessern. Die Forschungsarbeiten wurden innerhalb des EnOB-Forschungsbereichs Energetische Betriebsoptimierung (EnBop) durchgeführt. Das Projekt versteht sich zugleich als Fallstudie zur Betriebsführung innovativer Gebäude, die thermisch über Erdsonden oder den Gründungsbereich an das Erdreich gekoppelt werden. So wurde die Untersuchung dieses Gebäudes auch in das Forschungsprojekt Wärme- und Kältespeicherung im Gründungsbereich (WKSP) integriert.

Ein besonderes Augenmerk galt also der Performance der Erdsondenanlage, die eine wichtige Funktion in der Gebäudetemperierung darstellt. Das Monitoring erstreckte sich aber auch auf eine erweiterte Verbrauchserfassung im Bereich Beleuchtung und Raumluftkonditionierung.

Gebäudekonzept

Zur Erweiterung der Hauptverwaltung der Gelsenwasser AG wurde neben dem bestehenden Bau aus den 1970er Jahren ein in Form und Größe identischer Baukörper errichtet. Mit seinen Abmessungen bildet der 7-geschossige Neubau einen gläsernen Zwilling zum Altbau. Die Erschließung der beiden Gebäude erfolgt über ein gemeinsames Foyer im Erdgeschoss des Altbaus. Zwei gläserne Brücken verbinden die Gebäude miteinander und ermöglichen den Zugang zum Neubau. Die interne Erschließung erfolgt über zwei Aufzüge und ein Treppenhaus. In den Bürogeschossen dient ein breiter Mittelgang als Kommunikationszone und Treffpunkt der Mitarbeiter. West- und östlich von dem Mittelgang liegen Einzel- und Gruppenbüros. Besprechungsräume und zweigeschossige Wintergärten befinden sich im nördlichen Kopfbereich. Die südlichen Kopfbereiche werden zum Teil für Großraumbüros genutzt. Im Staffelgeschoss sind ein großer Konferenzraum mit Dachgarten sowie eine Lüftungszentrale untergebracht.

Der Neubau steht als Glaskubus neben dem Bestandsgebäude. Er integriert verschiedene innovative Konzepte: Die Fassade enthält in den Zwischenräumen der geschosshohen Glaselemente individuell steuerbare Jalousien, die Sonnenschutz und Lichtlenkung gleichermaßen erlauben. Im Bereich der Geschossdecken ermöglichen öffenbare Klappen eine natürliche Belüftung der Büros mit Wärmerückgewinnung aus der Abluft. Im Sommer können diese Lüftungsklappen für eine passive Kühlung durch Nachtlüftung genutzt werden. Eine besondere Rolle im Energiehaushalt spielt das Erdreich unter dem Gebäude.

Energiekonzept

Ziel der Planung war es, eine enorm hohe Transparenz der Fassade mit einem hohen thermischen Komfort zu verbinden und zusätzlich die Energieerzeugung über regenerative Quellen zu decken. In einem innovativen Energiekonzept wird die Kälte- und Wärmeversorgung des Bestandsgebäudes mit dem des Neubaus zu einer Einheit zusammengeführt. Das Kernstück des Energiekonzepts bildet jedoch eine Erdwärmeanlage zum Heizen und Kühlen, bestehend aus 36 Erdwärmesonden mit einer aktivierten Länge von jeweils 150 Metern. Im Winter erfolgt der Wärmeentzug aus dem Erdreich mit Hilfe einer Wärmepumpe. Die Wärme dient im Neubau sowohl zur Raumheizung über die Deckensegel als auch zur Konditionierung der Zuluft.

Die Kälte aus dem Erdreich wird entweder über freie Kühlung oder im Kältemaschinenbetrieb genutzt. In das Kühlkonzept für den Neubau wurde auch der Altbau mit einbezogen. So werden nicht nur die Deckensegel im Neubau mit Kälte versorgt sondern auch im Altbau das Fassadenkühlsystem und die Lüftungsanlage für den Vorstands- und Konferenzbereich.

Der Neubau wird zumeist monovalent über das Erdreich beheizt und gekühlt. Allein für die Zuluftkühlung der Büros sowie des Besprechungsraums im 7. Obergeschoss kommt ein Desiccant Cooling System (DCS oder DEC) zum Einsatz. Die Kühlung der Luft erfolgt hier über Trocknungsprozesse im Sorptionsverfahren. Die Wärme des ansonsten zur Beheizung des Altbaus vorgesehenen BHKW wird auch hierfür genutzt. Zusätzlich zur mechanischen Lüftung besteht die Möglichkeit der natürlichen Nachtlüftung und Abführung von warmer Raumluft über die speziellen, ausfahrbaren Lüftungsöffnungen in der Fassade.

Für die Beheizung und Kühlung gibt es drei Betriebsarten. In einem kombinierten Heiz- und Kühlbetrieb nutzt die Wärmepumpe interne Lasten aus dem Gebäude als Wärmequelle und versorgt so andere Bereiche mit Heizwärme. Im Frühjahr wird das Kältepotenzial des Bodens ohne Einsatz einer Kältemaschine im freien Kühlbetrieb genutzt. In der dritten Betriebsart wird die reversible Wärmepumpe als Kältemaschine eingesetzt und die Anlagenabwärme über das Sondenfeld in das Erdreich eingetragen.
Eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach des Neubaus mit einer Spitzenleistung von 25 Kilowatt ergänzt die Stromerzeugung.

Gebäudemanagement

Das Gebäude ist mit einer zentralen Gebäudeleittechnik und einem M-Bus-System ausgerüstet. Heizung, Kühlung, Lüftung, Sonnenschutz und Beleuchtung werden zentral über die Gebäudeleittechnik (GLT) gesteuert und geregelt. Die Arbeitsplatzbeleuchtung wird präsenz- und tageslichtabhängig geregelt. Um den Strombedarf für künstliche Beleuchtung zu reduzieren, steuert die GLT in Abhängigkeit vom Sonnenstand den Lamellenwinkel des Sonnenschutzes. Alle weiteren Funktionen der Gebäudetechnik werden ebenfalls präsenz- und zeitabhängig gesteuert.

Über ein Raumtableau mit Touchdisplay haben die Nutzer in den Büro- und Besprechungsräumen die Möglichkeit, individuell Einfluss auf das Raumklima zu nehmen. So kann beispielsweise der Sollwert der Raumtemperatur in den Büros um +/- 2°C verändert oder der Sonnenschutz an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden.

Evaluierung der Gebäudeperformance

Im Mittelpunkt der Evaluierung steht die Analyse von Energieeffizienz und Nutzerkomfort des Gebäudes. Eine vertiefte Untersuchung erfolgt hinsichtlich des Betriebs der geothermischen Erdwärmesondenanlage.

Die Messungen zum thermischen Komfort ergeben, dass das Gebäude und das Energiekonzept den hohen Anforderungen an den thermischen Komfort gerecht wird. Überhitzungsstunden gibt es in diesem hochtransparenten Gebäude nicht, vgl. Abbildung 14.

Nach einem Jahr umfangreicher Messungen konnte 2007 erstmals ein Abgleich erfolgen zwischen den Planungsvorgaben (Energiebedarf) und den im Gebäudebetrieb gemessenen Energieverbräuchen. Zwar deckt sich die Wärme- bzw. Kältemenge, die in 2006 von der Erdwärmeanlage an das Gebäude abgegeben wurde, mit den Planungswerten. Doch die über die Lüftungsanlagen in das Gebäude eingebrachte Kälte war um zwei Drittel geringer als geplant und der Stromverbrauch überstieg die Planungswerte beträchtlich.

Optimierung: Potenziale, Maßnahmen und Umsetzung

Wesentliche Ursachen für die oben genannten Differenzen zwischen Planungs- und Betriebswerten beim Stromverbrauch waren ein Fehler in der Präsenzsteuerung der Bürobeleuchtung sowie eine ausgeprägte nächtliche Akzentbeleuchtung des Gebäudes. Optimierungspotenzial bestand auch bei der DEC-Anlage. Das unausgewogene Verhältnis zwischen Wärmeeinsatz und erzeugter Kälte deutete darauf hin, dass die Anlage noch nicht optimal lief. So wurde die Anlagenlaufzeit und er Energieverbrauch ab 2007 durch Abschaltung der Lüftungsanlage während der Nacht reduziert.

Mit Hilfe der Verbrauchs- und Betriebsanalyse konnten die großen Abweichungen beim Stromverbrauch auf einen hohen Beleuchtungsstromverbrauch, lange Laufzeiten der Lüftungsanlagen und den hohen Anteil des Kältemaschinenbetriebs zurückgeführt werden. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden Optimierungsansätze für den Betrieb entwickelt. Dem hohen Stromverbrauch für künstliche Beleuchtung in den Büros kann durch eine Außerbetriebnahme der Bewegungsmelder außerhalb der Bürozeiten entgegen gewirkt werden. Ein weiteres nicht unerhebliches Einsparpotenzial besteht in einer zeitlichen Reduzierung der Akzentbeleuchtung.

Durch das Monitoring konnte herausgestellt werden, dass im Heizbetrieb die Wärmepumpe dem Erdreich nur wenig Energie entzogen hat. Der wesentliche Anteil Wärme stammte aus dem Gebäude selbst. Bereiche mit Kälteanforderung stellten genügend Wärme bereit, so dass das Erdreich nicht als Wärmequelle herangezogen werden musste. Folge daraus ist eine unausgeglichene saisonale Energiebilanz des Erdsondenfelds. Im Laufe eines Jahres wurde mehr Wärme in das Erdreich eingetragen als entzogen. Diese führt schnell zu einer unplanmäßigen Erwärmung des Erdreichs und einer deutlichen Reduzierung des Kältepotenzials für den freien Kühlbetrieb und durch den mehrfachen Kältemaschinenbetrieb kommt ein gesteigerter Stromverbrauch zustande.

In der Planung wurde von einem Verhältnis zwischen freiem Kühlbetrieb und reinem Kältemaschinenbetrieb der Erdsondenanlage von 68 zu 32 Prozent ausgegangen. Im realen Betrieb lag das Verhältnis in 2006 allerdings bei 15 zu 85 Prozent, das heißt, die energetisch hoch effektive freie Kühlung kommt zu wenig zum Einsatz. Mit einer Optimierung der Lüftungsstrategie und der Anhebung der Freigabegrenze der Kältemaschine konnte das Verhältnis von freiem Kühlbetrieb und Kältemaschinenbetrieb auf 30 zu 70 Prozent gesteigert werden. Hier besteht aber noch weiteres Potenzial für die freie Kühlung. Auch die Möglichkeiten der passiven Kühlung durch die Lüftung können sowohl tagsüber als auch insbesondere nachts noch stärker genutzt werden.

Durch verschiedene Optimierungsmaßnahmen konnte der Energiebedarf insgesamt deutlich reduziert werden, vgl. auch Abbildung 15. 2009 lag dann der Strombedarf bei 142,7 kWh/m²a (bezogen auf NGF, Endenergiewert). Der Anteil für die Büronutzung beträgt dabei 61,5 kWh/m²a. Das Verhältnis von Stromverbrauch für die Erdwärmenutzung (Wärmepumpe bzw. Kältemaschine, inkl. Umwälzpumpe) zur bereitgestellten Wärme- und Kältemenge beträgt 1:3. Die resultierende Arbeitszahl liegt mit 3,2 in einem effizienten Bereich, erreicht allerdings noch nicht das gesetzte Planungsziel von 4,0. Hinweis: Als Primärenergiefaktoren wurden für das BHKW 1,22 und für den Netzstrom 2,7 angesetzt.

Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit

Im Vergleich zu herkömmlichen Heiz- und Kühlsystemen werden mit diesem Energiekonzept Kosteneinsparungen für Strom und Wärme realisiert, die im Bereich von 35.000 Euro pro Jahr liegen.

Weitere Einsparpotenziale werden bei der Umsetzung und Steigerung des Freien Kühlbetriebs und Einbindens weitere Systeme zur Erhöhung des Wärmeentzugs aus dem Erdreich gesehen.

Da es sich bei den umgesetzten Maßnahmen um Veränderungen und Optimierungen im laufenden Gebäudebetrieb handelte, fielen hier keine Investitionskosten für die Umsetzung der Maßnahmen an.

Energiekennzahlen

Energiekennzahlen nach EnEV (in kWh/m2a)	vorher		nachher
Primärenergie gesamt	312,00		224,00
Gemessene Energiekennwerte (in kWh/m2a)	vorher	Potenzial	nachher
Endenergie Wärme	61,00		21,50
Primärenergie Wärme	74,00		26,00
Primärenergie gesamt	289,00		222,00
Büro Strom			61,50
RLT Strom			28,60

vorher: vor Optimierung, Potenzial: gemäß Optimierungspotenzial, nachher: nach Optimierung

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