Studie: Energieeffizienz von Industriehallen bietet mehr als nur ein grünes Firmenimage

(13.12.2013) Deutlich niedrigere Betriebskosten, mehrfache Amortisation über die Le­benszeit: das können Nachhaltigkeit und Energieeffizienz schon heute beim Bau von Industriehallen bedeuten. „Grünes” Denken ist nicht nur gut fürs Image: Langfristig macht sich ein umsichtiger Umgang mit Energieressourcen auch in ökonomischer Hin­sicht bezahlt. Durch smarte Gebäudekonzepte mit optimal aufeinander abgestimmten Materiallösungen lassen sich zukunftsfähige Produktions-, Lager- und Logistikhallen realisieren.

Dämmen, Heizen, Beleuchten

Vor diesem Hintergrund ließ das EcoCommercial Building Programm (ECB) im Rahmen einer aktuellen Studie durch IPJ Ingenieurbüro P. Jung das wirtschaftliche und energe­tische Einsparpotenzial für eine Muster-Industriehalle errechnen, das sich durch den Einsatz innovativer Bautechnologien und -materialien ergibt. Die Analyse zeigt:

• Bei einer 7.740 m³ großen Halle könnte allein mit einer gut gedämmten Gebäude­hülle der Heizenergiebedarf um bis zu 35% gesenkt werden.
• Pro Jahr wären dies ca. 28,6 MWh und damit eine Kosteneinsparung von aktuell rund 2.300 Euro.
• Bei geschätzten Mehrkosten von 32.000 Euro hätte sich die Investition bereits innerhalb von 11 Jahren amortisiert - eine Energiepreissteigerung von 4% pro Jahr eingerechnet.

Neben dem Einfluss unterschiedlicher Dämmstandards analysiert die Studie in separa­ten Kapiteln auch den Einfluss von Heizungs- und Beleuchtungssystemen auf die Ener­gieeffizienz einer Industriehalle.

Individuelle Lösung und integrale Planung als Voraussetzung

Der wichtigste Schritt zu einem nachhaltigen Gebäude ist eine kompetente und ganzheitliche Planung, die alle rele­vanten Aspekte und Gewerke integriert und aufeinander abstimmt. Durch diese Verzahnung lassen sich gestalteri­sche, technische und energetische Aspekte zu einem funktionalen Gesamtkonzept zu­sammen­fü­gen. Genau hier setzt das EcoCommercial Building Programm an, das von Bay­er Mate­ri­al­Science initiierte Kompetenznetzwerk für energieeffizientes, umwelt­freundliches und wirtschaftliches Bauen: Das ECB führt Hersteller innovativer Mate­rialien und Dienstleistungen in allen Bereichen rund um den nachhaltigen Industrie-, Gewerbe- und Wohnungsbau zusammen - siehe auch Baulinks-Beitrag „EcoCommer­cial Building Programm (ECB) für integrierte Energie- und Materialkonzepte“ vom 24.9.2012.

Studie über energetisches Einsparpotenzial: Methodik und Grundlage

In der Studie wird ein Prototyp für eine Produktions- bzw. Lagerhalle entwickelt und energetisch optimiert. Unterschiedliche Baumaterialien, Produkte und Systeme wer­den auf ihr jeweiliges Energieeinsparpotenzial hin untersucht sowie die Erstellungs- und Betriebskosten ermittelt. Als Referenzgebäude, im Folgenden als Referenzhalle bezeichnet, dient eine konventionelle Halle aus einem modularen Baukörper, dem ein standardisiertes Konzept für die Technische Gebäudeausrüstung nach EnEV 2009 zu­grunde liegt. Diesem wird ein Gebäude mit gleichem Baukörper und identischer Nut­zung gegenübergestellt, aber mit verschiedenen technischen und baulichen Ausstat­tungen.

Baukörper und Konstruktion

Bei dem betrachteten Industriegebäude handelt es sich um eine einbündig erschlos­sene Halle mit einer Grundfläche von 20 x 60 m sowie einer Traufhöhe von 6 m, die als Werkstatt-, Montage- oder Fertigungshalle dient. Standort ist Deutschland, die vorgegebene Soll-Temperatur im Innenraum liegt bei 17° C. Insgesamt verfügt die Halle über ein Bruttoraumvolumen von 7.740 m³. Im Simulationsmodell sind alle rele­vanten Außen- und Innenflächen erfasst. Sie dienen als Basis zur Ermittlung der in­stationären Wärmeströme und der Energiebilanzen. An den beiden Stirnseiten ver­fügt das Ge­bäude über Rolltore mit einer Gesamtfläche von jeweils 30 m². An den Längsseiten nehmen die Fenster eine Fläche von 60 m² ein. In das Dach mit einer horizontalen Nei­gung von 5 Grad sind zudem Lichtkuppeln mit einer Gesamtgröße von 60 m² integriert, die als natürliche Lichtquelle sowie als Rauch- und Wärmeab­zugsanlage (RWA) dienen.

Teil 1 - Dämmung der Gebäudehülle: bis 35% Energieeinsparung

Die Energieeffizienz eines Gebäudes wird maßgeblich über die Dämmung der Gebäu­dehülle mit ihren opaken und transparenten Bauteilen bestimmt. Im Rahmen der Be­rech­nungen wurde daher zunächst das energetische Einsparpotenzial verschiedener Dämmvarianten ermittelt. Die Referenzhalle geht von einem Mindeststandard an Wär­meschutz unter Einhaltung der Anforderungen der EnEV 2009 aus:

• Die Fassade und das Dach bestehen aus Stahl-Sandwichelementen mit einer 6 cm starken Polyurethan(PU)-Dämmung, die einen U-Wert von 0,389 W/m²K aufweist.
• Die Fensterbänder aus Polycarbonat-Multistegplatten haben einen U-Wert von 2,00 W/m²K.
• Für die Bodenplatte des Hallenbaus sieht das ECB eine PU-Perimeterdämmung mit 5 m Randstreifen und einem U-Wert von 0,586 W/m²K vor.
• Die Rolltore sollen ebenfalls mit einem PU-Kern ausgeführt werden und verfügen damit über einen U-Wert von 1,2 W/m²K.

Bei der ausgewählten Halle werden im Rahmen der Analyse verschiedene Materiallösungen für die Außenwand bzw. das Dach sowie für die Fensterflächen untersucht und jeweils ihr Einfluss auf die Energiebilanz dokumentiert. Dabei basiert die Dämmung für Wände, Fassade, Decke und Dach der Industrie­halle stets auf dem Dämmstoff Polyurethan mit einer über Di­cke und Wärmeleitfähigkeit definierten Dämmwirkung. Polyure­than-Hartschaum besitzt im Vergleich zu anderen konventio­nellen Dämmstoffen einen höheren thermischen Wirkungsgrad und kann damit hohe Dämmleistungen bereits bei geringen Ma­terialdicken erbringen (siehe λ-Werte zum Vergleich). Durch die schlankere Ausführung verringert sich auch das Flächen­gewicht.

Für die transparenten Bauteile werden Polycarbonat-Multistegplatten eingesetzt, die Bruchsicherheit mit einem geringen Gewicht, hoher Transparenz und vergleichsweise guten Dämmeigenschaften kombinieren.

Die analysierten Dämmstandards der Bauteile basieren auf unterschiedlichen Material­dicken:

• Die Referenzhalle hat eine PU-Dämmung von 6 cm, die Dämmung der Varianten 1-4 ist zwischen 8-16 cm dick. Die entsprechenden Wärmedurchgangskoeffizienten liegen zwischen 0,297 W/m²K und 0,152 W/m²K.
• Die U-Werte der Fensterbänder aus Polycarbonat liegen zwischen 1,67 W/m²K (Variante 1) und 0,98 W/m²K (Variante 4 – Polycarbonatplatte gefüllt mit Aero­gel). Konstant entsprechend der Basisvariante bleiben die Dämmwerte der Bo­denplatte und der Rolltore.
• In einer 5. Variante werden nur die transparenten Bauteile optimiert, in Variante 6 ausschließlich die opaken Bauteile.
• Varianten 7 und 8 gehen von gleichen Materiallösungen wie die Basisvariante und Variante 4 aus, die Fensterfläche wurde dabei allerdings verdoppelt.

Tebelle 1: Variationen des Dämmstandards der Gebäudehülle

Die Kalkulation zeigt, dass mit einer besonders gut gedämmten Gebäudehülle entspre­chend der Variante 4 (PU-Dämmstoffdicke 16 cm, U-Wert von 0,152 W/m²K) ca. 35% der Heizenergie in Höhe von jährlich 28,6 MWh eingespart werden. Dies entspricht bei 0,08 Euro je kWh einer Kosteneinsparung von 2.300 Euro pro Jahr. Damit hätte sich die Investition von geschätzten Mehrkosten gegenüber der Referenzhalle (ca. 32.000 Euro) bereits nach 11 Jahren amortisiert.

Tabelle 2: Vergleich der „Endenergie Heizen“, Varianten 1-8

Die Anforderungen der EnEV 2009 in Bezug auf den Primärenergiebedarf werden zu­dem  um 17% unterschritten. Damit werden gleichzeitig die Anforderungen des Erneu­erbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) erfüllt, weil eine über 15%ige Unter­schreitung der EnEV vorliegt. Auch mit niedrigeren Dämmstärken lassen sich Heizkos­ten effektiv senken: Die Einsparungen liegen zwischen 14% und 28%. Ein besonderes Energieeinsparpotential bei der Gebäudehülle - aufgrund der Flächengewichtung - bie­ten die opaken Bauteile, d.h. die Außenwände und Dachflächen. Allein durch ihre Op­timierung lassen sich bis zu 29% Heizenergie einsparen. Die Optimierung der transpa­renten Bauteile - hier der Fensterbänder - bewirkt aufgrund des geringen Flächenan­teils lediglich 8 % Heizenergieersparnis.

Tabelle 3: Prozentualer Vergleich der Primärenergien zum Referenzgebäude

Teil 2 - Heizsysteme: 9 bis 25% Primärenergieeinsparung

Die Entscheidung für ein Heizsystem ist von diversen individuellen Faktoren abhängig, dazu gehören u.a. ...

• Investitions- und Verbrauchskosten,
• Standort und Platzbedarf,
• Heizkörper,
• Schallschutz und
• Abgase.

Die Studie hat für die Nutzung in einer Industriehalle verschiedene Heizsysteme auf ihre Effizienz, die Investitionskosten und ihre Wirtschaftlichkeit hin untersucht.

• Die Referenzhalle nutzt eine Warmluftheizung mit einem Öl-Brennwertkessel.
• In Variante 1 wird die zentrale Warmluftheizung durch dezentrale Gas-Dunkel­strahler ersetzt.
• In den Varianten 2 bis 4 erfolgt die Beheizung des Raumes jeweils über eine bauteilintegrierte Fußbodenheizung. (Bei dieser Untersuchung wurde der Basis­dämmstandard zugrunde gelegt.) Zur Wärmeerzeugung dient wahlweise ein ...
  • Öl-Brennwertkessel (Variante 2),
  • eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 4,2 (Variante 3) und
  • eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3,2 (Variante 4).

Tabelle 4: Variationen der Wärmesysteme

Die Analyse der Heizsysteme ergibt: Im Vergleich zum Referenzgebäude mit einem Jahresprimärenergiebedarf von 149 kWh/m²/a lässt sich der Primärenergiebedarf der Halle senken durch ...

• eine Sole-Wasser-Wärmepumpe in Kombination mit einer bauteilintegrierten Fußbodenheizung um 25% auf 112 kWh/m²/a; die Kostenersparnis liegt bei ca. 4.100 Euro/Jahr.
• eine Luft-Wasser-Wärmepumpe um 16% (124 kWh/m²/a bzw. 3.280 Euro/a),
• einen Ölbrennwertkessel um 6 % und durch
• einen Dunkelstrahler um 9%.

Wirtschaftliche Betrachtung der Heizsysteme

In einer Amortisierungsrechnung werden die Energiekosten den Investitionskosten ge­genübergestellt. Die Investitionskosten für die Heizsysteme variieren deutlich - dem­zufolge auch die Amortisationszeiten:

• Bei Nutzung der Geothermie liegen die Mehrkosten mit rund 148.700 Euro am höchsten. Dies ist vor allem auf die einmalige Sondenbohrung zurückzuführen, die rund 120.000 Euro ausmacht. Entsprechend lang ist der Amortisierungszeit­raum, der in diesem Fall bei rund 22 Jahren liegt.
• Bei Einsatz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe muss mit Investitionskosten von etwa 49.500 Euro gerechnet werden. Diese hätten sich jedoch bereits nach 12 Jahren amortisiert.
• Die Mehrkosten für die Kombination einer Fußbodenheizung mit einem Öl-Brenn­wertkessel belaufen sich auf 8.590 Euro, bei einem jährlichen Einsparvolumen von derzeit ca. 720 Euro beträgt die Amortisationszeit etwa 10 Jahre.
• Werden Dunkelstrahler eingesetzt, liegen die Anschaffungskosten sogar 8.500 Euro unter denen der Referenzhalle.

Tabelle 5: Prozentualer Vergleich der Primärenergien zum Referenzgebäude

Zur Erfüllung der Anforderungen des EEWärmeG ist als Ersatzmaßnahme eine 15%ige Unterschreitung der Anforderungen der EnEV möglich. Für die untersuchten Varianten, bei denen die Unterschreitung geringer als 15% ist, wird in der Regel bei realen Bau­projekten durch Anpassung des Dämmstandards dieser Zielwert herbeigeführt. Eine entsprechende Berücksichtigung führt auf der einen Seite zu erhöhten Investitions­kosten, auf der anderen Seite zu einer Reduzierung der Betriebskosten sowie der In­vestitionskosten im Bereich der Heizungsanlage. Die sich hieraus ergebenden Amorti­sationszeiten variieren nur geringfügig zu den bereits aufgeführten Werten. Auf eine explizierte Darstellung kann daher an dieser Stelle verzichtet werden.

Teil 3 - Beleuchtungssysteme: 4 bis 12% Primärenergieeinsparung

Neben der Dämmung und den Heizsystemen wurden für die Studie auch die Beleuch­tungssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz untersucht. Als Bewertungsgrundla­ge der unterschiedlichen Beleuchtungssysteme dient das Tabellenverfahren entspre­chend der Vorgaben der DIN V 18599. Das Tabellenverfahren beschreibt eine Bestim­mung der notwendigen Beleuchtung zur Erreichung der nach Norm geforderten Licht­stärke im konkreten Gebäude.

Die Basisvariante ist entsprechend dem Referenzgebäude mit einer stabförmigen Leuchtstofflampe mit einem elektronischen Vorschaltgerät ausgestattet. Die Beleuch­tung erfolgt direkt und indirekt, eine tageslichtabhängige Steuerung ist nicht vorhan­den. Dieser Standard-Beleuchtung werden fünf verschiedene Varianten gegenüber­gestellt:

• Eine direkt strahlende stabförmige Leuchtstoffröhre (Variante 1).
• In der Variante 2 wird diese um eine automatische Tageslichtsteuerung ergänzt.
• Die Hallenausstattung mit Metallhalogendampf-Hochdruck-Lampen entspricht der Leuchtmittel-Variante 3 sowie
• mit Natriumdampf-Hochdruck-Leuchtmittel der Variante 4.
• Zudem wird die Standardausführung mit einer direktstrahlenden LED-Beleuch­tung in Lichtbändern verglichen (Variante 5).

Da die Beleuchtungsart der Referenzhalle eher unüblich ist, werden für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit die Werte der Beleuchtungsvariante 1 (direkt strahlende stab­förmige Leuchtstofflampe) zugrunde gelegt.

Tabelle 6: Variationen der Beleuchtung

Die Ergebnisse der Studie machen deutlich, dass sich je nach eingesetzter Beleuch­tungsvariante zwischen 4 bis 12% Primärenergie einsparen lässt.

• Die direkt strahlende stabförmige Leuchtstoffröhre (Variante 1) erzielt einen um 4% geringeren Energiebedarf.
• Wird diese mit einer automatischen Tageslichtsteuerung ergänzt, kann der Ener­giebedarf im Vergleich zur Basisvariante um 8% gesenkt werden.
• Durch den Einsatz von den Metallhalogendampf-Hochdrucklampen oder Natrium­dampf-Hochdruck-Lampen ergeben sich jeweils Einsparungen um die 7% - aller­dings entsteht bei letzteren auch gelbes Licht, das nicht für alle Arbeiten geeig­net ist.
• Die höchste Energieeinsparung (12 %) wird mit Hilfe einer LED-Beleuchtung er­reicht.

Wirtschaftliche Betrachtung der Beleuchtungssysteme

Alle untersuchten Beleuchtungsvarianten stellen sich im Vergleich zur Referenzhalle sowie im Vergleich zu Variante 1 als wirtschaftlich dar - einige weisen sogar reduzier­te Investitionskosten auf. Die LED-Beleuchtung ist zwar im Vergleich zur Basisausstat­tung mit Mehrkosten von 11.500 Euro verbunden, diese rechnen sich aber schon nach 12,5 Jahren, da jährlich etwa 701 Euro Energiekosten eingespart werden können (der wirtschaftlichen Betrachtung liegt die Annahme einer 4%igen Energiepreissteigerung zugrunde). Darüber hinaus liegt die Lebensdauer von LEDs derzeit bei etwa 50.000 Stunden - geht man von einer Nutzungsdauer von 2.500 Stunden pro Jahr aus, müs­sen diese nur alle 20 Jahre gewechselt werden, sind also besonders wartungsfreund­lich - und damit wiederum besonders wirtschaftlich. Dabei sind verminderte Reinves­titionen und Instandhaltungen nicht in die Berechnung der Studie einbezogen und stellen weitere Kostensenkungspotenziale dar.

Tabelle 7: Berechnungsergebnisse DIN V 18599 nur Beleuchtung

Tabelle 8: Einsparung an jährlichen Energiekosten nur Beleuchtung

Gesamtfazit der Studie

Die vom EcoCommercial Building Programm beauftragte und von der IPJ Ingenieurbüro P. Jung GmbH durchgeführte Studie gibt einen Überblick über die Energieeinsparpoten­ziale wesentlicher Stellschrauben beim Bau einer Industriehalle. Es wird deutlich, dass die Dämmung einen großen Einfluss auf die Energieeffizienz hat, daneben aber auch Heizsysteme und Beleuchtung eine wichtige Rolle spielen. Für die beschriebenen Ein­zelmaßnahmen ist die Reduktion des Primärenergiebedarfes zwischen 4 und 25 % mög­lich. Aus Gründen der besseren Transparenz der Einflussgrößen stellt die Studie aus­schließlich die Ergebnisse der Einzelmaßnahmen wider. Bei der Berücksichtigung aller drei Parameter - Dämmung, Heizung und Beleuchtung - könnten noch größere Einspa­rungen erzielt werden.