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Selbstversorgung mit elektrischer Energie - Elektrische Verbraucher der Haustechnik in Nicht-Wohngebäuden

Neben den elektrischen Verbrauchern der Haustechnik in Wohngebäuden bilden die Nicht-Wohngebäude ein ebenso großes Potenzial zur dezentralen Direktversorgung mit elektrischer Energie aus Photovoltaik und/oder Kleinst-Windkraft. Das Thema ist jedoch ungleich komplexer und differenzierter zu betrachten als bei Wohngebäuden.

Gebäudedaten Große Büroeinheit, bezogen auf die gesamte Nutzungseinheit.

Gebäudedaten Mittlere Büroeinheit, bezogen auf die gesamte Nutzungseinheit.

Grundriss Mittlere Büroeinheit, mit symmetrischer Aufteilung der Räume.

Heiz- und Kühllasten der Mittlere Büroeinheit.

Unterscheidung von Nicht-Wohngebäuden und ihren größten Lastpotenzialen.

 

Der Begriff Nicht-Wohngebäude umfasst ungleich mehr Gebäudearten als es bei Wohngebäuden der Fall ist. Wesentliche Unterschiede sind schon in den Bauformen und Bauarten zu finden, da sie architektonisch mehr nach Zweckbauten anmuten.
Aber auch in der spezifischen Nutzung unterscheiden sich Nicht-Wohngebäude von Wohngebäuden in sehr diffiziler Art und Weise, die es genau zu untersuchen gilt. Dementsprechend unterscheiden sich die aus der Nutzung resultierenden Anforderungsprofile sehr wesentlich von denen der Wohngebäude.
Eines der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale ist dabei die Belegung bzw. Auslastung durch Personen. In der Regel halten sich Menschen nur tagsüber in Nicht-Wohngebäuden auf.
Einen nicht unerheblichen Anteil machen Mischgebäude aus, wie sie vor allem in städtischen Bereichen (und noch in manchen Kleinstädten und Dörfern) anzutreffen sind. Als Mischgebäude lassen sich in der Regel Wohngebäude definieren, die neben einer unterschiedlich großen Anzahl von Wohneinheiten eben auch – meist Erdgeschoss gebundene – Anteile von Gewerbeeinheiten beinhalten. Die Trennung erfolgt oft lediglich in den Stockwerken (Ebenen) und separaten Zugängen.
Mischgebäude (Wohn- und Nicht-Wohneinheiten) sind:

  • Kleine Mehrfamilienhäuser mit einer
  • oder zwei Gewerbeeinheiten,
  • Mittlere Mehrfamilienhäuser mit zwei – vier Gewerbeeinheiten,
  • Große Mehrfamilienhäuser mit mehreren Gewerbeeinheiten,
  • Mehrgeschosswohnungsbau mit Gewerbezonen und Einkaufszentren.

An diesen Beispielen und ihrer Vielzahl allein ist bereits abzusehen, dass die Trennung in der Praxis sehr fließend ist. Ein weiterer, wesentlicher Unterschied zu Wohngebäuden oder besser gesagt Wohneinheiten ist die spezifische Nutzung. Die – so unterschiedlich sie auch sein mag – in einem stets gleich ist: Die Nutzung dient nicht zu Wohnzwecken. Somit spielt der hochentwickelte Wohnkomfort zwar keine Rolle. Dies soll aber keineswegs bedeuten, dass die Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit und Betriebsfunktion gebäudetechnischer Ausstattung geringer sind. Als Beispiel mag hierfür allein ein Rechenzentrum gelten, wo ein Ausfall der Kühlfunktionen schnell extreme wirtschaftliche Schäden herbeiführen kann.
Dementsprechend gilt es, nicht nur zwischen Wohn- und Nicht-Wohngebäuden zu unterscheiden, sondern ebenso in Wohneinheiten und Gewerbeeinheiten zu differenzieren, um den Mischgebäuden gerecht zu werden, da beide Nutzungseinheiten sich in einem Gebäude befinden. Letztendlich geht es in der Praxis also zu allererst darum, zu unterscheiden, welche Einheiten sich in einem Gebäude befinden.

Infrastruktur Nicht-Wohngebäude

Hinsichtlich der Lastunterschiede von Nicht-Wohngebäuden gilt es in einem weiteren Schritt, eine Nutzungsunterscheidung vorzunehmen. Daraus ergibt sich die Fragestellung: Befinden sich ausschließlich Menschen in diesem Gebäude oder auch zusätzliche Prozesse, Maschinen, usw. – Maschinen befinden sich heute in jedem Gebäude, da der Mensch ohne diese kaum noch lebensfähig ist. In Nicht-Wohngebäuden ist die Anzahl und Last sehr unterschiedlich.
Obgleich Nicht-Wohngebäude überall im bebauten Raum anzutreffen sind, gleichfalls auch als Mischeinheiten wie oben dargestellt, befinden sie sich auch oft abgesondert in Gewerbegebieten oder den so genannten Innoparks, am Rande von Städten und Dörfern. Industrie- und Sonderbauten sind nicht Bestandteil dieser Untersuchung.
Eine der deutlichsten Formen von Nicht-Wohngebäuden sind Büro- und Verwaltungseinheiten bzw. –gebäude. Das Spektrum reicht dabei von kleinen Einzelbüros bis hin zu Großraumbüros verschiedener Abteilungen oder Kommunikationszentren.

Büro- und Verwaltungsgebäude

Die Arbeitsplätze sind an sich schon mit einer Grundausstattung versehen, die elektrische Energie benötigen. Dies sind in erster Linie; PC-Anlagen mit Rechner und Bildschirm sowie eine entsprechende Beleuchtungstechnik für jeden Arbeitsplatz. Diese Lasten multiplizieren sich mit der Anzahl der Mitarbeiter in einer Büroeinheit. Dazu kommen Drucker, Kopierer, Telefon- und Kommunikationsanlagen als zusätzliche Lasten je nach Ausstattung.
Eine Konsequenz aus der hohen und sehr gebündelten Anzahl elektrischer Verbraucher ist die Wärmeentwicklung durch Wärmeabgabe. Was während der Heizperiode durchaus noch als interne Gewinne energetisch positiv zu bewerten ist, verlangt im Sommer nicht selten eine zusätzliche Kühllast, um die Raumluftqualität der Mitarbeiter erträglich zu machen.
Hinsichtlich der Raumluftqualität kommt heute demzufolge vermehrt noch Raumlufttechnik dazu. Dies ist bereits schon bei kleinen Büroeinheiten der Fall. Besonders in Großraumbüros wird die Lüftungsanlage nicht selten zu einer komplexen Klimaanlage ausgebaut, die nicht nur die Lufterneuerung realisiert, sondern ebenfalls die in den raumgeführte Zuluft thermisch behandelt.
Gemäß Arbeitsstättenrichtlinie und der DIN EN13779 zur „Lüftung von Nicht-Wohngebäuden“ ist pro Person von einem stündlichen Mindest-Luftwechsel von 40 m³ auszugehen. Dies verlangt in jedem Fall eine entsprechend umfangreiche raumlufttechnische Ausstattung, da bei einer Mitarbeiterzahl von 10 Personen schon mindestens 400 m³/h benötigt werden, was eine herkömmliche Wohnungslüftungsanlage nur noch grenzwertig zu leisten im Stande ist.
Die Beleuchtungstechnik macht einen weiteren großen Teil der benötigten elek-
trischen Energie aus. Trotz moderner, energiesparender Beleuchtungstechnik ist es auch hier die Summe, die letztendlich für das Lastprofil entscheidend ist. Ein wesentlicher Vorteil – trotz aller Lasten – ist bei Büro- und Verwaltungsgebäuden (und vielen anderen Nicht-Wohngebäuden ebenso), dass die Anforderungen lediglich tagsüber in einem Zeitfenster von ca. 7.00 – 18.00 Uhr  anstehen. Bei Schulen bestehen durchaus ähnliche Lastanforderungen. Auch wenn (noch nicht) jeder Schüler mit einem Rechner ausgestattet ist, ist es die Personendichte innerhalb eines Raumes, was die Raumlufttechnik betrifft und natürlich die hohen Anforderungen an die Beleuchtungstechnik, analog zu einem Arbeitsplatz in einem Büro.

Trend zur Kühllast

Die Kühllast etabliert sich neben der Heizlast immer mehr zum zentralen Energiefaktor in Nicht-Wohngebäuden und ist mit der Heizlast – so gesehen – im umgekehrten Verhältnis verwandt. So ergibt sie sich zum einen aus dem Standort, der Bauart und Bauweise, der energetischen Qualität (besonders hinsichtlich des sommerlichen Hitzeschutzes) der thermischen Hülle und zum anderen aus inneren Wärmelasten durch Maschinen und Menschen. Während die Wärmeabgabe des Menschen bei normaler Schreibtischarbeit mit etwa 80 W als Last-Wert während der Anwesenheit (Arbeitszeiten/Arbeitstag) betrachtet werden kann, sind es bei Maschinen deren konkrete Leistungsdaten und Betriebsstunden pro Arbeitstag.
Hinsichtlich unseres Flat-Rate- und Smart-Grid-Zeitalters kann man davon ausgehen, dass nicht nur die unmittelbaren Arbeitsgeräte wie PC`s sich im Dauerbetrieb befinden, sondern auch andere Geräte, wie z.B. Kaffeeautomaten usw. Standby-Funktionen moderner Geräte sind entsprechend zu berücksichtigen. Insbesondere bei der Kühllast spielt die Ausstattung eine sehr große Rolle,  wie u.a. auch die beiden nachstehenden Beispiele veranschaulichen.
Dabei werden hier beispielhaft für ein Nichtwohngebäude nur normale Büroeinheiten vorgestellt. Erweiterungen mit Gewerbeeinheiten, Einkaufzentrem mit einer hohen Beleuchtungsdichte, Supermärkte mit Kühltheken und Kälteanlagen, Kommunikationszentren und Server-Räume können hier ob ihrer Komplexität nicht behandelt werden. Wiewohl sie deutlich absehbar werden und einmal mehr vor Augen führen, wie wichtig die Differenzierungen der Anforderungen und eine genaue Definition der Nutzung ist, um nach dem daraus resultierenden Anforderungs- und Nutzungsprofil ein zukunftsfähiges Energiekonzept zu entwickeln.

Praxisbeispiel Großraumbüro

Hierbei handelt es sich um ein Großraumbüro auf einer Fläche von etwa 500 m² für insgesamt maximal 40 Mitarbeiter. Das Gebäude wurde 2011 baulich und energetisch saniert. Als wesentlich in Sachen Energiebedarf stellte sich schon in der Planungsphase heraus, dass aufgrund der Bauart und der Ausrichtung des Gebäudes ein sehr hoher Energieaufwand für die Kühlung der Büroräume notwendig sein würde. Die gesamte Kühllast beträgt 35846 W, ist damit deutlich höher als die Heizlast mit 30689 W, die traditionell den Löwenanteil an notwendiger Energie für die Haustechnik ausmacht, heute aber immer öfter in der Jahresbilanz die zweite Geige spielt (was aber auch mit der Fixierung auf den winterlichen Wärmeschutz zurückzuführen ist). Bezogen ist diese Kühllast auf den klimatisch ungünstigen Tag des Jahres und der Erreichung einer Raumlufttemperatur von 26°C. Wesentlicher Unterschied zur Heizlast ist, dass die Maschinenwärme als Last zu bewerten ist; während der Heizperiode wirken diese Wärmelasten als interne Wärmegewinne und tragen somit zur Deckung des Heizwärmebedarfs bei, was in der Heizlastberechnung entsprechend zu Buche schlägt. Das Verhältnis beider Lasten lautet: Kühllast 71,37 W/m² und Heizlast 61,38 W/m².
Betrachtet man den größten Raum in dieser Büroeinheit, der mit einer Grundfläche von 145 m² fast ein Drittel der gesamten Nutzfläche dieses Nicht-Wohngebäudes umfasst, ergeben sich für dieses Großraumbüro bezogen auf 15 Arbeitsplätze rechnerisch eine Kühllast von mehr als 10000 W, was wiederrum fast ein Drittel der Gesamt-Kühllast darstellt. Dabei entfallen auf Maschinenwärme fast 5500 W. Für die Beleuchtungstechnik ergeben sich rund 1500 W und benötigt einen Luft-Volumenstrom von 630 m³/h für eine Luft-
wechselrate von 1,44 welcher durch ein ventilatorbetriebenes Lüftungssystem (Raumlufttechnik) sichergestellt wird. Diese Wärmegewinne ergeben in Summe etwa 7000 W an Kühllast, was deutlich mehr als zwei Drittel der Gesamt-Kühllast abbildet. Die restlichen 3000 W welche für eine Kühlung auf 26°C im Auslegungsfall (33°C) benötigt werden, ergeben sich aus der Sonneneinstrahlwirkung auf das Gebäude, sowie die Wärmeabgabe der Mitarbeiter.

Praxisbeispiel Mittlere Büroeinheit

Ein anderes Beispiel handelt von einem Nicht-Wohngebäude mit einer mittleren Büroeinheit auf einer Fläche von rund 120 m² für 8 Mitarbeiter. Es handelt sich auch dabei um eine bauliche und energetische Sanierung sowie Aufstockung als Neubau der Büroeinheit. Im Erdgeschoss befinden sich ein Beratungszentrum und eine Muster-Wohnung. Die Heizlast beträgt für diese Büroeinheit 3192,17 W und die Kühllast von etwa 2568,33 W. Das Verhältnis beider Lasten lautet: Kühllast 21,42 W/m² und Heizlast 26,47 W/m². Dieses Beispiel unterscheidet sich nicht nur in der Größe und den Lastdifferenzen, sondern auch in der Bauart und Ausstattung.

Vergleich beider Nicht-Wohngebäude

Beide Gebäude sind vergleichbar, sowohl von den Klimadaten (außer Außentemperatur) als auch von der Bauart. Bei beiden Gebäuden haben ein direkt darüber liegendes Flachdach mit entsprechender Fläche zum Grundriss. Während im ersten Beispiel eine gewöhnliche Dachdeckung zur Ausführung kam, wird auf diesem Gebäude ein Gründach hergestellt, das nicht nur dem sommerlichen Hitzeschutz sehr entgegenkommt, sondern auch die PhV-Module kühlt. Die Trinkwassererwärmung erfolgt in beiden Gebäuden dezentral elektrisch mit modernen Mini-Durchlauferhitzern an den Waschtischen für Mitarbeiter und Besucher. Außer in den Toiletten und Teeküchen/Kantinen besteht in der Regel bei Büro- und Verwaltungsgebäuden kein nennenswerter Warmwasserbedarf hinsichtlich großer Spitzenlasten. Er kann somit in den sonnenreichen Monaten leicht durch PV bereitgestellt werden. Dies entspricht einmal mehr der Tendenz, die Wärmebereitstellung von Heizung und Warmwasser systemisch zu entkoppeln.

Fazit

Es ist definitiv davon auszugehen, dass bei Nicht-Wohngebäuden die Kühllast einen sehr zentralen Bedarf ausmacht und sich für die PV sehr günstig auswirkt, da diese auch und besonders während der Sommermonate anfällt.  Auch wenn dies anhand von zwei Büroeinheiten beispielhaft dargestellt wurde, ist zu erkennen, dass andere Nicht-Wohngebäude mit entsprechenden Anforderungsprofilen ebenso Kühllasten fordern. In manchen Nicht-Wohngebäuden oder auch in Gewerbe-Industrie- und Sonderbauten bestehen darüber hinaus noch zusätzliche Kältelasten, z.B. zur Bevorratung von Lebensmitteln.

Autor: Frank Hartmann

 


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