Passivhausstandard bei städtischen Gebäuden: Auswertung der bisherigen Erfahrungen

Bericht des Magistrats vom 18.07.2014, B 290

Betreff: Passivhausstandard bei städtischen Gebäuden: Auswertung der bisherigen Erfahrungen Vorgang: Beschl. d. Stv.-V. vom 12.12.2013, § 4004 + Anlage 7 - E 204/13 CDU/GRÜNE -

1. Überblick über die Projekte Im Jahr 2004 wurde in Frankfurt a.M. mit der Grundschule Riedberg das erste öffentliche Gebäude in Passivhaus-Qualität fertiggestellt. Seither wurden von der Stadt Frankfurt weitere 61 Projekte im Passivhaus-Standard errichtet, darunter Feuerwachen, Jugendhäuser, Kindertagesstätten, Schulen bzw. Schulerweiterungen, Schulmensen, Sportfunktionsgebäude und Turnhallen. Weitere 42 Projekte befinden sich in Planung oder im Bau. Abbildung 1: Passivhaus-Neubauprojekte der Stadt Frankfurt a.M. (KT Eulenberg, Ziehenschule, KT Griesheim, Ludwig-Börne-Schule, Grundschule Kalbach, IGS Nordend) Tabelle 1: Fertiggestellte Passivhaus-Neubauprojekte der Stadt Frankfurt a.M. Die Erfahrungen aus diesen Projekten sind in verschiedene Planungswerkzeuge des Hochbauamtes eingeflossen.
2. Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen Im Zentrum stehen die Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen, welche die einzelnen Qualitäten der Gebäudehülle und der technischen Gebäudeausrüstung definieren. Dazu gehören unter anderem der Passivhaus-Standard, aber auch zahlreiche andere Qualitäten, die sich über den Lebenszyklus der Gebäude als wirtschaftliches Optimum herausgestellt haben. Abbildung 2: Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen 2014 mit Beispiel einer Checkliste Als Standard für die Luftqualität hat sich eine CO2-Konzentration von max. 1.500 ppm bewährt. Dies wird in Schulen und Kindertagesstätten bereits mit einer Luftmenge von 20 m3 pro Person und Stunde in der Regel erreicht. Die Heizung erfolgt aus wirtschaftlichen Gründen nicht über die Lüftungsanlage, sondern über je einen Heizkörper pro Raum. Die Heizkörper werden in Schulen und Kindertagesstätten im Wesentlichen dazu benötigt, um zum Nutzungsbeginn eine behagliche Raumtemperatur sicherzustellen. Während des Betriebes genügt die Abwärme der Personen und Geräte zur Beheizung der Räume. Eine Einzelraumregelung ist wegen des geringen Heizwärmebedarfs unwirtschaftlich. Es genügt eine außentemperaturabhängige Vorlauftemperaturregelung mit Nacht-, Wochenend- und Ferienabsenkung sowie begrenzbare Thermostatventile. Die Lüftungsanlage soll aus Kostengründen nur während der Heizperiode und während der Nutzungszeit im Betrieb sein. Außerhalb der Heizperiode muss über die Fenster gelüftet werden. Daher sind in Unterrichts-, Gruppen- und Sitzungsräumen Fensteröffnungsflügel von mindestens 0,1 m2 je Person bei Querlüftung und mindestens 0,2 m2 je Person ohne Querlüftungsmöglichkeit vorzusehen. Zur Vermeidung sommerlicher Überhitzung sind ausreichende Speichermassen (z.B. durch Massivbauweise), ein wirksamer außen liegender Sonnenschutz und ausreichend große Nachtlüftungsklappen vorzusehen.
3. Gesamtkostenberechnung Abweichungen von den Leitlinien sind jederzeit möglich, wenn ein wirtschaftlicher Vorteil mit Hilfe der vom Hochbauamt (Abteilung Energiemanagement) entwickelten Gesamtkostenberechnung nachgewiesen werden kann. Tabelle 2: Gesamtkostenberechnung auf der Basis von Zahlenangaben aus der Vorplanung für die Ludwig-Börne-Schule (Auszug) Der Gesamtkostenvergleich zwischen den verschiedenen Planungvarianten erfolgt in der Regel in der Vorplanung, da der Variantenvergleich in dieser Phase 2 nach der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) eine geschuldete Grundleistung ist. Ein Vergleich z.B. in der Entwurfsplanung führt zu einer deutlichen Erhöhung der Planungskosten und ist daher nicht mehr wirtschaftlich. Ideal wäre ein Vergleich identischer ausgeführter Gebäude mit identischer Nutzung, die sich lediglich im Baustandard unterscheiden. Dies kommt in der Praxis leider nicht vor, da meist sowohl die Gebäudegeometrie als auch die Gebäudenutzung unterschiedlich sind. In der Tabelle 2 ist ein Auszug aus der Gesamtkostenberechnung für die Ludwig-Börne-Schule wiedergegeben. Es handelt sich dabei sowohl bei den Investitionskosten als auch bei den Energiekosten um Planungswerte aus der Vorplanungsphase. Man erkennt, dass demnach die ausgeführte Passivhaus-Variante mit 13,3 Mio. € um ca. 550.000 € über den Investitionskosten der Variante nach Energieeinsparverordnung (EnEV) liegt. Die prognostizierten jährlichen Gesamtkosten für die Passivhaus-Variante liegen demzufolge mit 195 €/m2 jedoch um 7 €/m2 unter den Gesamtkosten für die EnEV-Variante. Über den Betrachtungszeitraum von 40 Jahren entsteht so eine Einsparung von 1,6 Mio. €. Da die Sanierungsquote im städtischen Gebäudebestand bei maximal 2 % pro Jahr liegt, wurde für künftige Vergleiche ein Betrachtungszeitraum von 50 Jahren festgelegt, so wie es auch im Leitfaden Nachhaltiges Bauen des Bundes festgelegt ist.
4. Erfahrungen Da ein Großteil der Passivhaus-Gebäude erst im Jahr 2011 fertiggestellt wurde, liegen bisher nur für relativ wenige Gebäude mehrjährige Verbrauchsauswertungen vor. Datenquelle sind die Energieabrechnungen der Stadt Frankfurt, die Zählerablesungen der Hausverwalter und die automatische Verbrauchserfassung der Abteilung Energiemanagement. Hinzu kommt, dass sich ein großer Teil der Gebäude auf größeren Liegenschaften befindet und es häufig keine separaten Unterzähler für die Gebäude gibt, oder dass die Gebäude (z.B. bei Kindertagesstätten) von externen Betreibern genutzt werden und dem Hochbauamt daher keine Rechnungen vorliegen. Dies ist aus Sicht des Magistrats derzeit noch unbefriedigend. Künftig soll versucht werden, die Verbrauchsdaten mit Einverständnis der Pächter in die Datenlieferungen der Energieversorger an das Energiemanagement mit aufzunehmen, um eine breitere Datenbasis zu bekommen. Sinnvoll wäre auch aus Sicht des Magistrats bei allen zukünftigen fremdgenutzten, neuen Bauten eine entsprechende Vereinbarung mit den Nutzern vertraglich zu vereinbaren. Tabelle 3: Verbrauchswerte der städtisch genutzten Passivhaus-Gebäude in Frankfurt a.M. Die Tabelle 3 zeigt die derzeit über mehrere Jahre verfügbaren Verbrauchswerte der städtisch genutzten Passivhaus-Gebäude. Der dort aufgeführte Heizenergieverbrauch (Endenergieverbrauch) ist nicht zu verwechseln mit dem Passivhaus-Kriterium Heizwärmebedarf, da im Heizenergieverbrauch auch der Warmwasserverbrauch sowie die Wärmeerzeugungs- und -verteilungsverluste enthalten sind. Ein separater Wärmemengenzähler für den Heizwärmeverbrauch allein ist nur in Ausnahmefällen eingebaut. Der mittlere spezifische Heizenergieverbrauch (incl. Warmwasser, Wärmeerzeugungs- und -verteilungsverlusten) lag 2012 für die in Tabelle 3 genannten Projekte bei 32 kWh/m2a, der spezifische Stromverbrauch bei 22 kWh/m2a. Ein weiteres Kriterium ist der sogenannte Primärenergieverbrauch. Dieser beinhaltet auch den Energieaufwand zur Herstellung der Endenergieträger Strom, Erdgas, Fernwärme etc. Der Primärenergieverbrauch lag im Mittel bei 92 kWh/m2a und damit deutlich unter dem Passivhaus-Kriterium von 120 kWh/m2a. Obwohl im Mittel das Passivhaus-Kriterium von 120 kWh/m2a für den Primärenergieverbrauch eingehalten wurde, kam es in Einzelfällen auch zu deutlichen Überschreitungen der geplanten Verbrauchswerte. Am Beispiel der Ludwig-Börne-Schule wurde in der Planung ein spezifischer Heizenergiebedarf von 19 kWh/m2a und ein spezifischer Strombedarf von 18 kWh/m2a prognostiziert (Tabelle 2). Tatsächlich lag der Heizenergieverbrauch jedoch bei 41 kWh/m2a und der Stromverbrauch bei 15 kWh/m2a (Tabelle 3). Bei Recherchen vor Ort wurde festgestellt, dass in dem Heizenergieverbrauch auch die alte Turnhalle mit einer veralteten 1.000 l - Warmwasserbereitung und die Hausmeisterwohnung enthalten ist. Damit kann der Mehrverbrauch erklärt werden. Der Stromverbrauch ist überraschend niedrig angesichts der Tatsache, dass die Lüftungsanlage auch im Sommer durchläuft, da die Fenster aus Schallschutzgründen nicht geöffnet werden können. Teilweise kam es in den Passivhausprojekten auch zu Mehrverbräuchen, die auf Planungs-Bau-, Betriebs- und Nutzungsmängel zurückzuführen waren und nicht ursächlich auf den Passivhaus-Standard zurückzuführen sind. Die genauen Ursachen sind im Einzelfall zu untersuchen. Diese Mängel treten bei herkömmlichen Gebäuden in gleicher Weise auf. Beim Passivhausstandard fallen diese Mängel aber wegen der vergleichsweise sehr geringen Verbrauchswerte eher auf. Um diese Mängel künftig zu vermeiden sollte die Qualitätssicherung bei Neubau- und Sanierungsmaßnahmen sowie die Betriebsführung und Betriebsoptimierung gestärkt werden. Tabelle 4: Analyse der Verbrauchswerte in der Grundschule Riedberg Bei der Grundschule Riedberg wurden separate Wärmemengenzähler eingebaut. Daher ist hier auch eine Messung des Heizwärmebedarfs möglich. In der Tabelle 4 sind die Verbrauchswerte der einzelnen Wärmemengenzähler für das Jahr 2011 dargestellt. Man erkennt, dass hier auch das Passivhaus-Kriterium für den Heizwärmebedarf von 15 kWh/m2a eingehalten wurde. Die Erzeugungsverluste (also die Abgasverluste und die Betriebsbereitschaftsverluste des Holzpelletkessels und die Verteilungsverluste) sind mit 12,1 kWh/m2a deutlich zu hoch. Dies ist jedoch nicht dem Passivhaus-Standard anzulasten, sondern der Entscheidung für eine Pelletheizung. Hinsichtlich des Jahresnutzungsgrades, also des Verhältnisses zwischen Wärmeerzeugung und Endenergieverbrauch, haben andere Energieträger deutliche Vorteile. Als Ergebnis des Arbeitskreises wirtschaftliches Bauen wurde in den Leitlinien 2014 aufgenommen, dass künftig bei zentralen Warmwasserbereitungsanlagen der Kaltwasserzulauf und die Wärmemenge zu zählen ist. Damit kann künftig leichter auf den Heizwärmebedarf zurückgeschlossen werden. Entscheidend für die Energiekosten ist jedoch der Heizenergiebedarf und nicht der Heizwärmebedarf. Die Erfahrung zeigt, dass für ca. 90 % der kommunalen Bauaufgaben der Passivhaus-Standard wirtschaftlich erreichbar ist. Bei sehr kleinen Gebäuden (< 150 m2), bei großflächigen unterirdischen Gebäudeteilen und bei Bestandssanierungen ist ein Heizwärmebedarf von 15 kWh/(m2a) oft nicht wirtschaftlich erreichbar. Es ist jedoch auch in diesen Fällen wirtschaftlich Passivhaus-Komponenten einzusetzen, sofern eine langfristige Nutzung bei behaglichen Raumluftkonditionen erwartet werden kann. Abbildung 3: Luftqualitätsmessungen in der Bettina-Schule (Fensterlüftung) und der Valentin-Senger-Schule (Lüftungsanlage) Die Luftqualitätsmessungen zeigen, dass in einer gut einregulierten Passivhaus-Schule mit Lüftungsanlage die CO2-Konzentrationen in der Regel unter 1.500 ppm bleiben, während in Bestandsgebäuden mit Fensterlüftung im Winter CO2-Konzentrationen von bis zu 5.000 ppm erreicht werden (siehe Abbildung 3). Die Behaglichkeit ist im Winter aufgrund der höheren Oberflächentemperaturen besser, als bei herkömmlichen Gebäuden mit gleicher Raumtemperatur. Im Sommer neigen Gebäude im Passivhausstandard aufgrund des geringeren Gesamtenergiedurchlassgrades weniger zu Überhitzungen als baugleiche Gebäude nach gesetzlichem Standard (Energieeinsparverordnung). Die Feuerwehr Frankfurt am Main betreibt derzeit drei Feuer- und Rettungswachen, welche gemäß der "Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen" im Passivhausstandrad errichtet wurden. Davon sind die Bereichswache (BW) 30 und die Bereichswache (BW) 41 vom Passivhaus Institut Darmstadt auch als Passivhaus zertifiziert. Erfahrungen über den angefragten Zeitraum von drei Jahren liegen nur für die BW 41 (Inbetriebnahme 14.12.2010) vor. Im Winter 2011 wurden Feststellungen zu Befindlichkeitsstörungen wegen zu trockener Luft in der der BW 41 durch den arbeitsmedizinischen Dienst aufgegriffen. Eine im Winter 2011/2012 durchgeführte Langzeitmessung ergab teilweise Luftfeuchtigkeitswerte von unter 30 % relativer Luftfeuchte (vgl. B 197 vom 06.06.2014). Anfang des Jahres 2014 wurden von der Abteilung Energiemanagement im Hochbauamt vergleichende Luftqualitätsmessungen einer Passivhauswache (BW 30) mit einer Wache mit Fensterlüftung (BW 31) vorgenommen und die Anlagentechnik analysiert. Abbildung 4: Relative Feuchte in den Wachbüros der BW 30 (mechanisch belüftet) und der BW 31 (Fensterlüftung) Die Luft in Innenräumen wird im Winter umso trockener, je kälter die Außenluft ist und je mehr gelüftet wird. Das ist eine physikalische Gesetzmäßigkeit und kein Spezifikum des Passivhausstandards. Man erkennt, dass die relative Feuchte im Wachbüro der BW 30 im Mittel bei 30 % liegt, während dieser Wert bei der BW 31 um ca. 6-7 % höher liegt. Optimal ist ein Wert zwischen 40 und 60 %. Ein Wert von 30 % ist gerade noch tolerierbar. Diese Messungen zeigten, dass der Unterschied zwischen mechanisch gelüfteten Gebäuden und solchen mit Fensterlüftung nur gering sind und lassen den Schluss zu, dass bei einer Fehlertoleranz von 6% von einem eindeutigen Vorteil der Fensterlüftung gegenüber einer Lüftungsanlage in Sachen Luftfeuchtigkeit nicht ausgegangen werden kann. Die Fehlertoleranzbereiche der beiden Messungen schneiden sich nahezu. Die BW 31 zeigt aufgrund der Fensterlüftung für die Feuchte deutlich größere Ausschläge. In den betroffenen Bereichswachen wurde durch das Aufstellen von Luftbefeuchtern im Winter (Kaltverdunstungsprinzip) eine Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit und somit eine Verbesserung des Raumklimas erreicht. Abbildung 5: CO2-Konzentration in den Wachbüros der BW 30 (mechanisch belüftet) und der BW 31 (Fensterlüftung) Die CO2-Konzentration lag in dem mechanisch gelüfteten Wachbüro der BW 30 stets unter 1.000 ppm, während in dem fenstergelüfteten Wachbüro der BW 31 Konzentrationen von bis zu 1.800 ppm erreicht wurden. In den Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen wird ein Grenzwert von 1.500 ppm vorgegeben. Die Luftqualität war im Wachbüro der BW 30 also deutlich besser als in der BW
5. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Luftmengen in der BW 30 teilweise erheblich über den nach den Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen empfohlenen 20 m3 pro Person und Stunde lag. Bedingt durch die spezifischen Nutzungsbedingungen einer Feuerwache (Schichtbetrieb rund um die Uhr) kann die genaue Anzahl der Personen, welche sich im Aufenthaltsraum einer Feuerwache befinden, jedoch auch kurzfristig stark variieren. Die Regelung der Lüftungsanlage sollte deshalb entsprechend optimiert werden. Die verringerte Nutzerzufriedenheit in der BW 30 gegenüber der BW 31 ist möglicherweise nur zum kleineren Teil auf die infolge der erhöhten Luftmenge etwas trockenere Luft zurückzuführen. Entscheidend könnte sein, dass durch die dort eingesetzte Fußbodenheizung kein direkter Einfluss der Nutzer auf die Raumtemperatur besteht. Eine Regulierungsmöglichkeit für die Nutzer besteht über die Gebäudeleittechnik oder das Öffnen der Fenster. Letzteres führt jedoch bei niedrigen Außentemperaturen zu noch trockenerer Luft. Es wird daher empfohlen, künftig gemäß den Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen Heizkörper mit herkömmlichen Thermostatventilen einzusetzen. Auch das Sportamt weist auf die Besonderheiten bei der Anwendung des Passivhausstandards bei den realisierten Sportfunktionsgebäuden bei ungedeckten Sportanlagen hin. Dies betrifft sowohl Investitionsmehrkosten, als auch Mängel bei der Steuerung und Regelung der eingebauten komplizierten Haustechnik durch häufig nicht ausreichend qualifiziertes Betriebspersonal, vor allem bei vereinsbetreuten Sportanlagen, und sich auch dadurch nicht im prognostizierten Umfang einstellende Verbrauchseinsparungen. Außerdem war zu beobachten, dass sich die Nutzer der Umkleidegebäude oftmals nicht so verhalten, wie in den Prognoseberechnungen für die Funktionsgebäude angesetzt war. Eine entsprechende Nutzerauswertung zur Zufriedenheit in Gebäuden der Stadt Frankfurt liegt derzeit noch nicht vor. Allerdings ist festzustellen, dass Nutzer eines Gebäudes, die wenige oder keine Eingriffsmöglichkeiten in die technischen Anlagen haben, sich fremdbestimmt fühlen. Es ist darauf zu achten, dass eine sinnvolle Regelbarkeit der Anlagen durch die Nutzer möglich bleibt. Dies ist jedoch keine passivhausspezifische Problematik, sondern kommt bei allen technischen Anlagen vor, die nur zentral gesteuert werden.
6. Schlussfolgerungen und Ausblick Für eine ausreichend belastbare Beantwortung der Frage, ob die mit der Einführung des Passivhausstandards verbundenen energetischen und wirtschaftlichen Erwartungen erfüllt werden können, müssen noch weitere Erfahrungen gesammelt werden. In der Arbeitsgruppe 4 - nachhaltiges Bauen - Bautechnische Standards - des Arbeitskreises Wirtschaftliches Bauen wurde vorgeschlagen, dass bei künftigen Bauvorhaben in der Vorplanungsphase mittels der vom Hochbauamt entwickelten Gesamtkostenberechnung ein Wirtschaftlichkeitsvergleich von mehreren Varianten erstellt und dem Revisionsamt vor Beschlussfassung über die Bau- und Finanzierungsvorlage zur Prüfung vorgelegt wird. Dieser Vorschlag wurde bereits in die Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen 2014 aufgenommen. Es wurde in Einzelfällen festgestellt, dass es zu erhöhten Verbrauchswerten gekommen ist. Die erhöhten Verbrauchswerte sind noch nicht ausreichend untersucht und teilweise darauf zurückzuführen, dass die in den Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen festgelegten Qualitäten nicht immer eingebaut wurden. Hier sind künftig ausreichend bemessene Planungs- und Bauzeiträume vorzusehen und die Qualitätssicherung durch konsequente Anwendung der Checklisten zu verbessern. Darüber hinaus sollten jedoch auch spezifische Nutzungsbedingungen von Funktionsgebäuden (z.B. 24-Stunden-Betrieb und hohe interne Feuchte-/Wärmelasten) stärkere Berücksichtigung finden. Gleiches gilt für nicht beeinflussbares Nutzerfehlverhalten, beispielsweise bei Funktionsgebäuden ungedeckter Sportanlagen. Der zweite Grund für überhöhte Verbrauchswerte sind festgestellte Mängel bei der Betriebsführung wie zum Beispiel überhöhte Raumtemperaturen oder keine Abschaltung der Anlagen außerhalb der Nutzungszeiten. Deshalb sollte die technische Betriebsführung vor Ort und die Betriebsoptimierung im Hochbauamt gestärkt werden. Außerdem sollte künftig bei allen größeren Neubau- und Sanierungsprojekten ein Gebäudebetriebsordner erstellt werden, der dem Betriebspersonal vor Ort eine einfache und energieeffiziente Betriebsführung ermöglicht. Dieser Gebäudebetriebsordner wurde deshalb in den Leitlinien zum wirtschaftlichen Bauen 2011 bereits verankert und dient auch der Erhöhung der Nutzerzufriedenheit. Die Weiterentwicklung vom Passiv- zum Aktivhaus hängt im Wesentlichen von der künftigen Ausgestaltung des Erneuerbare-Energieen-Gesetzes (EEG) ab. Modellrechnungen zeigen, dass Gebäude mit einer positiven Primärenergiebilanz (sogenannte Plusenergiehäuser) im verdichteten innerstädtischen Bereich in der Regel nur mit Passivhauskomponenten und einer zusätzlichen großflächigen Photovoltaikanlage wirtschaftlich realisiert werden können. Als Beispiel dafür ist das neue Kinderzentrum am Ulmenrück (KiZ 137) zu nennen. Die Passivhaus-Qualität ist also auch für künftige Entwicklungen eine wirtschaftliche und technologieoffene Grundlage. Wenn die Klimaschutzziele der Bundesregierung und der Stadt Frankfurt erreicht werden sollen, dann sollte man hinter diesen Standard nicht zurückfallen. Weiterführende Informationen findet man unter www.energiemanagement.stadt-frankfurt.de.