CO2-Einsparpotenzial in Plattenbauten

mit PV-Anlagen und Wärmepumpen

Bis 2050 will Deutschland einen kli­ma­neu­tra­len Gebäudesektor errei­chen – Die größ­te Herausforderung für diese Aufgabe liegt im Bestand der Nachkriegszeit. Er stellt den größ­ten Teil der Gebäude in Deutschland dar und hat einen ver­hält­nis­mä­ßig hohen Energiebedarf. Entsprechend hoch sind die CO2-Emissionen. Daher ist es beson­ders wich­tig, Konzepte zu fin­den, die in vie­len Gebäuden zum Einsatz kom­men kön­nen – wie in den Plattenbauten der ehe­ma­li­gen DDR. Der fol­gen­de Text ist eine Zusammenfassung einer Masterarbeit, die an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin ent­stand und ver­schie­de­ne Maßnahmen auf ihre Effektivität und Umsetzbarkeit unter­sucht hat. Denn auf­grund ihres Alters und ihrer Zahl von 2 Millionen Gebäuden, sind sie ein inter­es­san­tes Untersuchungsobjekt und ideal für die Entwicklung von seri­el­len Konzepten zur Einsparung von CO2 geeignet.

  1. Potenzial des Plattenbaus zur Reduzierung des Energieverbrauchs
  2. Planung der Photovoltaikanlage
  3. Sanierung auf KfW 55 Standard für mehr Einsparungen
  4. Vergleich unter­schied­li­cher Wärmepumpen-Systeme
  5. Energetische Sanierungen haben den höchs­ten Effekt auf CO2-Reduzierung

1. Potenzial des Plattenbaus zur Reduzierung des Energieverbrauchs

Als kon­kre­tes Untersuchungsobjekt wurde ein 5‑geschossiges Gebäude, vom Typ WBS 70, mit 4 Hausaufgängen und 40 Wohnungen á 60 m² gewählt.

Bild1-GebaeudeGrafik 1: Beispielhaftes Gebäude in Plattenbauweise, Quelle: Simon Sprenger

Anhand von gesam­mel­ten Verbrauchsdaten und Literaturwerten konn­te ein durch­schnitt­li­cher spe­zi­fi­scher Bedarf für Strom, Wärme und Warmwasser ermit­telt werden.

Um den Energieverbrauch zu redu­zie­ren, gibt es meh­re­re Möglichkeiten. Häufig setzt man auf die Reduzierung des Heizwärmebedarfs durch die Dämmung der Fassade. Weitere Einsparungen las­sen sich durch den Austausch der Heizkörper, Dämmung der Rohrleitungen oder Absenken der Vorlauftemperatur erzielen.

Im Zuge sol­cher Umbaumaßnahmen bie­tet sich eben­falls die Modernisierung der Heizungsanlage an. Hierbei gilt es, in einem zukünf­tig voll­stän­dig auf erneu­er­ba­ren Energien basie­ren­den Versorgungssystem, mög­lichst effi­zi­ent mit den zur Verfügung ste­hen­den Energiequellen umzu­ge­hen. Dies spricht für einen Einsatz von elek­tri­schen Wärmepumpen, wel­che in Verbindung mit vor Ort erzeug­tem Solarstrom, beson­ders kli­ma­scho­nend Nutzwärme erzeu­gen können.

2. Planung der Photovoltaikanlage

Für die Analyse des Solarpotenzials wurde ange­nom­men, dass stets die gesam­te ver­füg­ba­re Dachfläche des WBS 70 für die PV-Anlage genutzt wird. Bei dem Dach eines sol­chen Gebäudes han­delt es sich um ein nach innen geneig­tes Schmetterlingsdach — eine Bauweise, die eini­ge Herausforderungen birgt. Neben den typi­schen Entlüftungen für Bad und Küche, sowie den für den Druckausgleich nöti­gen Hauben der Abwasserschächte gilt es, den Entwässerungstrog zu berück­sich­ti­gen, der längs in der Mitte des Daches verläuft.

Als beson­ders vor­teil­haft stellt sich hier ein Ost-West-System her­aus. Dieses muss auf­grund sei­nes aero­dy­na­mi­schen Verhaltens gerin­ger bal­las­tiert wer­den und die ver­füg­ba­re Dachfläche wird opti­mal aus­ge­nutzt. Insgesamt las­sen sich so ca. 168 PV-Module auf der Dachfläche unter­brin­gen. Bei einer Modulleistung von 400 Wp ergibt dies ein Solarpotenzial von 67,20 kWp. Ertragssimulationen zei­gen, dass sich die Ausrichtung des Gebäudes bei sehr flach auf­ge­stän­der­ten Modulen (10°) nur sehr gering auf den PV-Ertrag und den Eigenverbrauch auswirkt.

Bei einem durch­schnitt­li­chen Stromverbrauch von 1800 kWh pro Wohnung, lässt sich hier­durch bereits ein Eigenverbrauch von 47 Prozent und somit ein Autarkiegrad von 40 Prozent errei­chen. Dies bedeu­tet, dass 47 Prozent des erzeug­ten Stroms im Haus ver­braucht wer­den kön­nen, was 40 Prozent des Strombedarfs entspricht.

Dies ändert sich aller­dings, wenn zusätz­lich Durchlauferhitzer zur Warmwassererzeugung genutzt wer­den. Durch eine sol­che direkt-elek­tri­sche Trinkwarmwasser-Erzeugung lässt sich der Eigenverbrauch auf 62 % erhö­hen, jedoch nur noch ein Autarkiegrad von 37 % errei­chen, wel­cher in die­ser Bilanz die Warmwassererzeugung schon mit beinhaltet.

Angesichts des hohen Energiebedarfs eines unsa­nier­ten Gebäudes, kann ein PV-System nur ver­hält­nis­mä­ßig gerin­ge Einsparungen erzie­len, da der Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser ca. 80 % des gesam­ten Energiebedarfs ausmacht.

3. Sanierung auf KfW 55 Standard für mehr Einsparungen

Um den Energiebedarf und somit die CO2-Emissionen effek­tiv abzu­sen­ken, müs­sen wei­te­re Maßnahmen, wie eine gut gedämm­te Gebäudehülle und eine Wärmeversorgung über Wärmepumpen hin­zu­ge­zo­gen wer­den. Als anzu­stre­ben­der Energiestandard wurde in die­ser Untersuchung der KfW-55-Standard gewählt, wel­cher nach den Plänen der Bundesregierung als durch­schnitt­li­cher Richtwert für den deut­schen Gebäudebestand eta­bliert wer­den soll. Hierdurch lässt sich der Wärmebedarf bereits um die Hälfte reduzieren.

In der Raumwärme- und Trinkwarmwasser-Erzeugung gibt es jedoch regio­nal große Unterschiede was die Ausstattung der Gebäudetechnik anbe­langt. Der über­wie­gen­de Teil der WBS 70 wird über Fernwärme ver­sorgt. Hinzu kom­men regio­na­le Varianten mit einer zen­tra­len Gasheizung, die auch zur Trinkwassererwärmung genutzt wer­den kann, oder auch in Kombination mit Strom- und Gas-Durchlauferhitzern vorkommt.

4. Vergleich unterschiedlicher Wärmepumpen-Systeme

Durch diese unter­schied­li­chen Voraussetzungen erge­ben sich eben­falls unter­schied­li­che Konzepte für die Umstellung auf ein Wärmepumpen-System, wel­che ihrer­seits wie­der­um mit ver­schie­de­nen Wärmequellen kom­bi­niert wer­den können.

Bild2-Varianten_BestandGrafik 2: Varianten der Heizungstechnik, Quelle: Simon Sprenger

Um hier die unter­schied­li­chen Lösungen mit­ein­an­der zu ver­glei­chen wur­den die Energieverbräuche der unter­schied­li­chen betrach­te­ten Wärmepumpen-Szenarien mit­tels einer Jahressimulation bestimmt und ausgewertet.

  • Systeme mit Erdsonden als Wärmequelle errei­chen unter den gege­be­nen Bedingungen die höchs­ten Einsparungen. Gefolgt von Luft-Wärmepumpen im Kaskadenbetrieb, wel­che sich ihrer­seits wie­der­um von den biva­len­ten Luft-Wärmepumpen-Systemen abhe­ben können.
  • Bei nähe­rer Betrachtung der Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit zeigt sich, dass die biva­len­ten Luft-Wärmepumpen-Systeme momen­tan die wirt­schaft­lichs­te Lösung zur Einsparung von CO2 darstellen.
  • Für Systeme mit Sole-Wärmepumpen erge­ben sich durch die hohe Anzahl an Sole-Bohrungen, zum einen hohe Kosten, wel­che die Amortisation erschwe­ren, und zum ande­ren ein hoher Flächenbedarf, wel­cher grund­sätz­li­che Probleme mit der Umsetzbarkeit hervorruft.

Erfolgt die Trinkwasser-Erwärmung eines Systems zudem mit Hilfe einer Wärmepumpe, trägt dies im erheb­li­chen Maße zur Energieeffizienz bei. Nichtsdestotrotz kön­nen alle betrach­te­ten Systeme in Verbindung mit einer PV-Anlage und ener­ge­ti­scher Sanierung unter den rich­ti­gen Rahmenbedingungen einen erheb­li­chen Beitrag für die Emissionsreduktion von 50 bis 60 Prozent gegen­über dem Status Quo leis­ten (siehe Grafik 3, Mittelwert aus allen Szenarien).

Figure 2020-11-09 224325 (1)Grafik 3: Spezifischer CO2-Ausstoß am Beispiel WBS70, Quelle: Simon Sprenger

5. Energetische Sanierungen haben den höchsten Effekt auf CO2-Reduzierung

Durch eine ener­ge­ti­sche Sanierung wer­den ins­ge­samt die größ­ten Einsparungen erzielt. Im Verhältnis dazu las­sen sich durch die betrach­te­ten Wärmepumpen-Systeme eben­falls hohe Einsparungen errei­chen, auch wenn diese für sich unter­ein­an­der betrach­tet unter­schied­lich effi­zi­ent arbei­ten. Die Einspareffekte des PV-Systems kom­men auf­grund des begrenz­ten erneu­er­ba­ren Potenzials hin­ge­gen erst nach Absenken des Bedarfs und dem Einsatz einer Wärmepumpe zur Geltung.

Zu beach­ten ist, dass die Effizienz eines Wärmepumpen-Systems nicht unbe­dingt die Höhe der CO2-Einsparung wider­spie­gelt. Ihr Effizienzvorteil gegen­über Gasheizungen kommt erst mit einem wei­te­ren Ausbau der erneu­er­ba­ren Energien zum Tragen. Nur so kön­nen die übri­gen 40 Prozent der ursprüng­li­chen Emissionen auch ein­ge­spart werden.

Angesichts der Tatsache, dass der Energieverbrauch an Raumwärme und Trinkwarmwasser in den deut­schen Privathaushalten, trotz aller Bemühungen seit Jahren sta­gniert und sich gleich­zei­tig der Anteil fos­si­ler Energieträger kaum redu­zie­ren lässt (2018: 69 Prozent), besteht hier gro­ßer Handlungsbedarf.

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Simon SprengerProjektmanager Photovoltaik

Zuletzt bear­bei­tet: 01.12.2020

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