Energieeffizienz von Industriehallen

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

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Vor diesem Hintergrund ließ das EcoCommercial Building Programm (ECB) in einer Studie durch IPJ Ingenieurbüro P. Jung GmbH, Köln, 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 Kubikmeter großen Halle könnte allein mit einer gut gedämmten Gebäudehülle der Heizenergiebedarf um bis zu 35 Prozent 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 Prozent 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.

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 Meter sowie einer Traufhöhe von 6 Meter, 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 Kubikmeter. 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 Quadratmeter. An den Längsseiten nehmen die Fenster eine Fläche von 60 Quadratmeter ein. In das Dach mit einer horizontalen Neigung von 5 Grad sind zudem Lichtkuppeln mit einer Gesamtgröße von 60 Quadratmeter integriert, die als natürliche Lichtquelle sowie als Rauch- und Wärmeabzugsanlage (RWA) dienen. Über diese können Hitze und mögliche Rauchgase ins Freie gelangen.

Teil 1 der Studie: Dämmung der Gebäudehülle

Vergleich unterschiedlicher Dämmstandards – Gebäudehülle als Basis
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 Zentimeter 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 Meter Randstreifen und einem U-Wert von 0,586 W/m²K vor. Die Rolltore sollen ebenfalls mit einem hochgedämmten PU-Kern ausgeführt werden und verfügen damit über einen U-Wert von 1,2 W/m²K.

Bei dieser 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 sich über Dicke und Wärmeleitfähigkeit definierten Dämmwirkung. Polyurethan-Hartschaum besitzt im Vergleich zu konventionellen Dämmstoffen einen höheren thermischen Wirkungsgrad und kann damit hohe Dämmleistungen bereits bei geringen Materialdicken erbringen. Durch die schlankere Ausführung verringert sich auch das Flächengewicht und eine schnelle, unkomplizierte Verarbeitung auf der Baustelle ist möglich. Für die transparenten Bauteile werden Polycarbonat-Multistegplatten eingesetzt, die Bruchsicherheit mit einem geringen Gewicht, hoher Transparenz und hervorragenden Dämmeigenschaften kombinieren.

Die analysierten Dämmstandards der Bauteile basieren auf unterschiedlichen Materialdicken. Die Referenzhalle hat eine PU-Dämmung von 6 Zentimeter, die Dämmung der Varianten 1-4 ist zwischen 8-16 Zentimeter 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.

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

Die Anforderungen der EnEV 2009 in Bezug auf den Primärenergiebedarf werden zudem um 17 Prozent unterschritten. Damit werden gleichzeitig die Anforderungen des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) erfüllt, da eine über 15-prozentige Unterschreitung der EnEV vorliegt. Auch mit niedrigeren Dämmstärken lassen sich Heizkosten effektiv senken: Die Einsparungen liegen zwischen 14 Prozent und 28 Prozent. 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 Prozent Heizenergie einsparen. Die Optimierung der transparenten Bauteile – hier der Fensterbänder – bewirkt aufgrund des geringen Flächenanteils lediglich 8 Prozent Heizenergieersparnis.

Teil 2 der Studie: Heizsysteme

Die Entscheidung für ein Heizsystem ist von diversen individuellen Faktoren abhängig, dazu gehören unter anderem 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 stets über eine bauteilintegrierte Fußbodenheizung. Zur Wärmeerzeugung dient wahlweise ein Öl-Brennwertkessel (Variante 2), eine Luft-Wasser-Wärmepumpe (Variante 3) und eine Sole-Wasser-Wärmepumpe (Variante 4). Die Jahresarbeitszahl der Luft-Wasser-Wärmepumpe liegt bei 3,2, die der Sole-Wasser-Wärmepumpe bei 4,2 – bei der Untersuchung wurde der Basisdämmstandard zugrunde gelegt.

Studienergebnisse: Kombinierte Heizsysteme optimieren Energieeffizienz
Die Analyse der Heizsysteme ergibt: Im Vergleich zum Referenzgebäude mit einem Jahresprimärenergiebedarf von 149 kWh/m²/a, lässt sich der Primärenergiebedarf der Halle durch eine Sole-Wasser-Wärmepumpe in Kombination mit einer bauteilintegrierten Fußbodenheizung um 25 % auf 112 kWh/m²/a senken – die Kostenersparnis liegt bei ca. 4.100 Euro/Jahr. Wird die Fußbodenheizung mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kombiniert, senkt sich der Bedarf um 16 Prozent (124 kWh/m²/a bzw. 3.280 €/a), in Kombination mit einem Ölbrennwertkessel um 6 Prozent. Um 9 Prozent sinkt der Primärenergiebedarf bei Beheizung über Dunkelstrahler.

Wirtschaftliche Betrachtung der Heizsysteme
In einer Amortisierungsrechnung werden die Energiekosten den Investitionskosten gegenüber gestellt. Die Investitionskosten für die Heizsysteme variieren deutlich, ebenso demzufolge auch die Amortisationszeiten. Bei Nutzung der Geothermie liegen die Mehrkosten mit rund 148.700 € am höchsten. Dies ist vor allem auf die einmalige Sondenbohrung zurückzuführen, die rund 120.000 € 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 € 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 €, bei einem jährlichen Einsparvolumen von derzeit ca. 720 € beträgt die Amortisationszeit etwa 10 Jahre. Werden Dunkelstrahler eingesetzt, liegen die Anschaffungskosten sogar 8.500 € unter denen der Referenzhalle.

Zur Erfüllung der Anforderungen des EEWärmeG ist als Ersatzmaßnahme eine 15-prozentige Unterschreitung der Anforderungen der EnEV möglich. Für die untersuchten Varianten, bei denen die Unterschreitung geringer als 15 Prozent 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 der Studie: Beleuchtungssysteme

Neben der Dämmung und den Heizsystemen untersucht die Studie auch die Beleuchtungssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz. 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. Hierbei erfolgt die Beleuchtung direkt und indirekt, eine tageslichtabhängige Steuerung ist nicht vorhanden. Dieser Standard-Beleuchtung werden fünf verschiedene Varianten gegenübergestellt: Eine direkt strahlende, stabförmige Leuchtstoffröhre (Variante 1), die im nächsten Schritt um eine automatische Tageslichtsteuerung ergänzt wird (Variante 2). 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.

Studienergebnisse: LED-Technologie mit bester Energiebilanz
Die Ergebnisse der Studie machen deutlich, dass sich je nach eingesetzter Beleuchtungsvariante zwischen 4 Prozent bis 12 Prozent Primärenergie einsparen lässt. Die direkt strahlende, stabförmige Leuchtstoffröhre (Variante 1) erzielt einen um 4 Prozent geringeren Energiebedarf. Wird diese mit einer automatischen Tageslichtsteuerung ergänzt, kann der Energiebedarf im Vergleich zur Basisvariante um 8 Prozent gesenkt werden. Durch den Einsatz von den Metallhalogendampf-Hochdrucklampen oder Natriumdampf-Hochdruck-Lampen ergeben sich jeweils Einsparungen um die 7 Prozent – allerdings entsteht bei letzteren auch gelbes Licht, das nicht für alle Arbeiten geeignet ist. Die höchste Energieeinsparung (12 Prozent) 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 € verbunden, diese rechnen sich aber bereits nach 12,5 Jahren, da jährlich etwa 701 € Energiekosten eingespart werden können (der wirtschaftlichen Betrachtung liegt die Annahme einer vierprozentigen 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, sie 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.

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. Insgesamt ist für die beschriebenen Einzelmaßnahmen die Reduktion des Primärenergiebedarfes zwischen 4 Prozent und 25 Prozent möglich. Aus Gründen der besseren Transparenz der Einflussgrößen spiegelt die Studie ausschließlich die Ergebnisse der Einzelmaßnahmen wider. Bei der Berücksichtigung aller drei Parameter – Dämmung, Heizung und Beleuchtung – könnten noch größere Einsparungen erzielt werden.

Eine ganzheitliche, professionelle Planung, die individuell auf das Bauvorhaben zugeschnitten ist, garantiert ein zukunftsfähiges und nachhaltiges Gebäude. Genau dies bietet das ECB mit seinem Partnernetzwerk: Zu den Experten für die Gebäudehülle gehören Bayer MaterialScience, die Anbieter von Dämmlösungen Kingspan Insulation, Linzmeier, Puren und Recticel sowie der Spezialist für Metallverbundelemente, ThyssenKrupp. Das Unternehmen alwitra steht für Fragen der Dachabdichtung zur Verfügung, die profine Gruppe für innovative Fensterlösungen. Rund um die Themen Gebäudetechnik und erneuerbare Energien sind die Netzwerkpartner Stiebel Eltron, Uponor und Solon kompetente Ansprechpartner. Spezialist für energetische Beleuchtungssysteme ist der Geschäftsbereich Lighting der Firma Philips. Neben den Produktexperten verfügt das EcoCommercial Building Programm über erfahrene Dienstleistungspartner für nachhaltiges Bauen – Unternehmen aus den Bereichen Architektur, Projektmanagement, Energieplanung sowie Finanz- und Informationsmanagement, wie die IPJ Ingenieurbüro P. Jung GmbH, Köln.

Ansprechpartner für Leseranfragen: Rüdiger Utsch, Tel. +49 214 30-21524 E-Mail: ruediger.utsch@bayer.com

Mehr Informationen finden Sie unter www.materialscience.bayer.com und www.ecocommercial-building-network.com/de