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Kälte
06.10.2017 - Ausgabe: 05-2017

Gebäudeplaner wappnen sich gegen ­Klimawandel

Dr. Benedikt Vogel*


Temperatur und andere Wetterdaten spielen bei der Gebäudeplanung eine wichtige Rolle. Die für die kommenden Jahrzehnte erwarteten Wetterveränderungen im Zuge des Klimawandels stellen somit eine Herausforderung für Gebäudeplaner dar. Eine Studie der Hochschule Luzern hat auf der Grundlage von drei realen Verwaltungsgebäuden simuliert, in welchem Mass Klimaänderungen die Auslegung von Kühlsystemen tangieren. Die Autoren empfehlen, angesichts der erwarteten Auswirkungen des Klimawandels bei der Planung neuer Gebäude Reservekapazitäten bereitzustellen.

Die Kündigung des Pariser Klimaabkommens durch die Vereinigten Staaten von Amerika wurde von der internationalen Staatengemeinschaft mit Unverständnis aufgenommen. Denn in Wissenschaft und Politik herrscht ein grosser Konsens, dass der Klimawandel unstrittig ist und seine Eindämmung einer gemeinsamen Anstrengung bedarf. Ein landesweiter Forschungsverbund unter der Federführung der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich und des nationalen Wetterdienstes MeteoSchweiz hat im Jahr 2011 die Auswirkungen der Erderwärmung auf die Schweiz im Bericht «Szenarien zur Klimaänderung in der Schweiz CH2011» dargestellt. Im Begleitwort des Berichts schrieb Didier Burkhalter, der damalige Bundesrat und Vorsteher des Innendepartements: «Wir alle sind vom Klimawandel betroffen, dessen Auswirkungen wir jetzt schon spüren. Die Suche nach Lösungen und nach wissenschaftlichen Modellen, welche zukünftige Entwicklungen aufzeigen können, ist deshalb von grösster Bedeutung. Dieser Bericht liefert eine ausführliche Basis für die Diskussion und Reflexion in politischen und wirtschaftlichen Kreisen.» 

Drei reale Gebäude als Grundlage

Ein Bereich, der auf den Klimawandel unmittelbar reagieren muss, ist die Gebäudetechnik. Ihre Aufgabe ist es schliesslich, das Raumklima innerhalb von Wohnungen und Büros in Abhängigkeit von der Wetterlage bedarfsgerecht zu regeln. Steigt die Temperatur, steigt der Kühlbedarf, und der Heizbedarf sinkt. Zudem stellen längere Hitze- bzw. Kälteperioden erhöhte Anforderungen an Kühl- bzw. Heizsysteme. Weil die Folgen des Klimawandels sich nur längerfristig und damit schleichend manifestieren, werde diese Thematik von Gebäudeplanern noch viel zu wenig wahrgenommen, sagt Axel See­rig, Professor für Bauklimatik und Gebäudesimulation am Institut für Gebäudetechnik und Energie der Hochschule Luzern (HSLU). «Gebäudetechniker stehen der Problematik des Klimawandels immer noch mit einer gewissen Ignoranz gegenüber», sagt Seerig, der sich seit 1992 als Planer, Berater und Dozent mit nachhaltigen Gebäude- und Energiekonzepten im deutschsprachigen Raum befasst. «Zwar berücksichtigen Planer die Wetterdaten des jeweiligen Standorts, im Planungsklima bleiben bisher allerdings meistens die künftigen Veränderungen im Zuge des Klimawandels unbeachtet.» Vor seiner Berufung als HSLU-Dozent hatte Axel Seerig beim Baudienstleister Gruner AG in Basel gearbeitet.

Seerig hat nun mit einem HSLU-Forscherteam in einer vom BFE finanzierten Studie die Auswirkungen des Klimawandels auf ausgewählte gebäudetechnische Anlagen quantifiziert. Die Wissenschaftler legten ihrer Untersuchung drei typische Schweizer Bürogebäude zugrunde und statteten sie gedanklich mit den heute gängigen Kühlsystemen (siehe unten) aus; anschliessend berechneten sie, ob bzw. wie die fraglichen Kühlanlagen in den nächsten 30 Jahren mit den Folgen des Klimawandels fertigwerden. 

«Gebäudetechniker stehen der Problematik des Klimawandels immer noch mit einer gewissen Ignoranz gegenüber.»

Die zwei Haupterkenntnisse:

Zur Bereitstellung der erwünschten Raumtemperatur wird unter den Bedingungen der Klimaerwärmung mehr Energie benötigt werden als heute.

Die heute installierten Kühlsysteme wären an vielen Tagen nicht mehr in der Lage, das erwünschte Raumklima herzustellen. In anderen Worten: Die Zahl der Überhitzungsstunden würde aufgrund des Klimawandels stark zunehmen, wenn man die heutigen Kühlsysteme nicht durch leistungsfähigere Anlagen ersetzt.

Unterschiedliche Kühlsysteme, verschiedene Klimaszenarien

Die Forscher betrachten in ihrer Untersuchung die drei verbreitetsten mechanischen Kühlsysteme:

  1. Zuführung von Kaltluft mittels Klimaanlage (Luftkühlung)
  2. von kaltem Wasser durchströmte Kühldecken
  3. von warmem oder kaltem Wasser durchströmte, in den Boden oder die Decke eingelegte Rohre (Betonkernaktivierung; bezeichnet auch als Thermoaktive Bauteilsysteme/TABS).

Kühlen lässt sich bei entsprechender Aussentemperatur darüber hinaus aber auch passiv, also ohne mechanisch betriebenes Kühlsystem, nämlich durch Öffnen der Fenster. 

Erwärmungen von 0,5 Grad und 1,7 Grad

Um die Folgen des Klimawandels auf die Gebäudetechnik simulieren zu können, legten die Wissenschaftler ihren Berechnungen ein Szenario mit weniger ausgeprägter Erwärmung («A1B lower»; Erhöhung der Jahresmitteltemperatur um 0,5 Grad bis 2035) im Vergleich zum Mittelwert der Periode ­1980–2009). Sowie ein Szenario mit ausgeprägter Erwärmung («A2 upper»; Erhöhung der Jahresmitteltemperatur um 1,7 Grad bis 2035 im Vergleich zum Mittelwert der Periode ­1980–2009) zugrunde. Die beiden Szenarien entstammen dem eingangs erwähnten CH2011-Bericht und gehen von einem schwächeren bzw. einem stärkeren Anstieg der Treibhausgas-Emissionen aus.  

Unterschiede nach Gebäude

Die Simulationen der Luzerner Wissenschaftler zeigen: Der Energiebedarf für den Betrieb der Kühlsysteme nimmt aufgrund des Klimawandels für alle drei Gebäudetypen zu, allerdings nicht im selben Umfang. In den Grafiken 3, 4 und 5 ist die Zunahme für die zwei untersuchten Klimaszenarien und die jeweils für den Gebäudetyp charakteristischen Kühlsysteme dargestellt. Die geringste Zunahme des Energiebedarfs ist für den Altbau (Grafik 3) zu beobachten, während die Zunahme beim Referenzbau (Grafik 4) im mittleren Bereich liegt und beim Neubau (Grafik 5) am höchsten ausfällt. 

Durchschnittswert aller Kühlsysteme

Nimmt man den Durchschnittswert aller betrachteten Kühlsysteme, beträgt die Zunahme des jährlichen Energiebedarfs für Kühlung beim Altbau 1,2 kWh/m2a (nämlich von 1,5 auf 2,7 kWh/m2a). Beim Referenzgebäude beträgt die Zunahme 3,4 kWh/m2a (von 7,9 auf 11,3 kWh/m2a), beim Neubau sogar 5,4 kWh/m2a (von 26,8 auf 32,2 kWh/m2a).

Generell gilt: Altbauten haben heute aufgrund ihres geringen Wärmewiderstands und ihrer hohen Wärmekapazität einen geringeren Energiebedarf zum Kühlen als moderne Bürobauten (hoher Verglasungsanteil, hohe solare Lasten). Zu beachten im Zusammenhang mit dem Energiebedarf ist zudem, dass der Temperaturanstieg im Winter zu einer Reduktion des Heiz­energiebedarfs führt.

«Die heute installierten Kühlsysteme wären an vielen Tagen nicht mehr in der Lage, das erwünschte Raumklima herzustellen.»

Betrachtung der Überhitzungsstunden

Ein näherer Blick lohnt sich auch auf die Ergebnisse bei der Zahl der Überhitzungsstunden. Auch hier zeigen sich wie beim Energieverbrauch erhebliche Unterschiede zwischen den drei untersuchten Gebäudetypen (vgl. Grafiken 6, 7 und 8): Die grösste Zunahme an Überhitzungsstunden für das Klimaszenario «A2 upper» ist beim Referenzbau zu beobachten (ein Plus von durchschnittlich 166 Überhitzungsstunden über alle Kühlsysteme hinweg betrachtet). Geringer ist die Zunahme beim Altbau (durchschnittlich ein Plus von 110 Überhitzungsstunden) und beim Neubau (durchschnittlich ein Plus von 99 Überhitzungsstunden). Werden im Neubau Kühlsysteme eingesetzt, sind diese in der Lage, die Zahl der Überhitzungsstunden zu begrenzen. Die Grafik zu den Überhitzungsstunden im Neubau macht auch deutlich, dass die Zahl der Überhitzungsstunden von der verwendeten Kühltechnologie abhängig ist: Da TABS relativ träge auf Erhöhungen der Aussentemperatur reagieren, ist die Zahl der Überhitzungsstunden höher als bei einer Klimaanlage mit Luftkühlung, die eine schnelle Kühlwirkung hat.

Unterschiedlich robust

Die Luzerner Forscher haben die Ergebnisse der Studie dazu benutzt, um die verschiedenen Kühlsysteme nach ihrer Robustheit zu bewerten. Dabei wurde ein Kühlsystem als «robust» bewertet, wenn sich bei geänderten Randbedingungen die Überhitzungsstunden nicht oder nur minimal änderten. Die Forscher gelangen zu folgender Bewertung: «Da die Betonkernaktivierung ein träges System ist, kann es nicht sofort den Kühlbedarf decken. Um den gleichen Komfort in Bezug auf Überhitzungsstunden zu erreichen wie bei der Kühldecke und dem Luftkühlsystem, wird daher eine zusätzliche Vorkühlung benötigt. Aus energetischer Sicht sind diese Systeme daher ungünstig.»

«Die Ergebnisse dieser Studie können Planern künftig helfen, Kühlsysteme adäquat und energieeffizient zu planen.»

Ausbaureserven vorsehen

Die Ergebnisse der Studie können Planern künftig helfen, Kühlsysteme adäquat und energieeffizient zu planen, betont Axel Seerig. Mit Blick auf den sich abzeichnenden Klimawandel empfiehlt der Luzerner Gebäudeforscher, für HLK-Anlagen bei der Planung Ausbaureserven vorzusehen, damit man die Systeme zu einem späteren Zeitpunkt bei Bedarf nachrüsten kann (was bei TABS allerdings kaum bzw. gar nicht möglich ist). Axel Seerig: «Wenn eine Anlage eine Zunahme der Überhitzungstage um 30% bewältigen muss, muss ihre Leistung gesteigert werden können, um diese Zusatzlast zu bewältigen.» Falsch wäre laut Seerig, Klimaanlagen wegen des erhöhten künftigen Leistungsbedarfs von Beginn weg überzudimensionieren. Das hätte den ungewollten Effekt, dass die Anlagen in den Anfangsjahren in Teillast betrieben werden müssten, was energetisch ineffizient ist. Die Überdimensionierung von Anlagen führt erfahrungsgemäss dazu, dass der Energieverbrauch insgesamt ansteigt, weil die Anlagen nicht optimal betrieben werden und die Räume dann zu stark beheizt oder in diesem Falle gekühlt werden.

Temperaturspitzen sind schon Realität

Die Studie der Hochschule Luzern macht deutlich, wie relevant der zu erwartende Anstieg der Durchschnittstemperatur im Zuge des sich abzeichnenden Klimawandels sein wird. Darüber darf aber nicht vergessen gehen, dass auch die Temperaturschwankungen, wie sie heute schon zwischen den einzelnen Jahren zu beobachten sind, die Klimaanlagen vor immense Herausforderungen stellen. «Im Hitzesommer 2003 waren viele Kühlsysteme der Schweiz überfordert», sagt dazu Rolf Moser, Leiter des BFE-Forschungsprogramms Gebäude und Städte. «Die Systeme müssten eigentlich bereits heute in einem gewissen Masse robust sein, was aber zu einer Überdimensionierung und zu Mehrkosten führt. In Zukunft wird daher in noch grösserem Masse als bisher schon die Frage an Bedeutung gewinnen, wie oft die Nutzer eine Überschreitung der Normbedingungen zu tolerieren bereit sind.»

*Autor: Dr. Benedikt Vogel, im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE)

Hinweise

Den Schlussbericht zum Projekt «Robustheitsbewertung von integrierten gebäudetechnischen Kühlkonzepten in Verwaltungsbauten hinsichtlich Klima und Nutzervariabilität» (ROGEK) finden Sie unter: https://www.aramis.admin.ch/Default.aspx ?DocumentID=35211&Load=true

Weitere Auskünfte zu dem Projekt erteilt Rolf Moser (moser@enerconom.ch), Leiter des BFE-Forschungsprogramms Gebäude und Städte. Weitere Fachbeiträge über Forschungs-, Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekte im Bereich Gebäude und Städte finden Sie unter www.bfe.admin.ch/CT/gebaeude.