Planung per Mausklick

Niedrigenergiehäuser setzen einen höheren Planungsaufwand voraus und kosten zunächst mehr als andere Gebäude. Über den gesamten Lebenszyklus betrachtet sind sie aufgrund geringerer Betriebskosten für Warmwasser und Heizung aber erheblich wirtschaftlicher. Nicht nur im Wohnungsbau – auch bei Bürogebäuden, Schulen, Sporthallen, Alten­zentren oder Industriebauten wird die energieoptimierte Bauweise deshalb zunehmend zum Standard. In naher Zukunft wird sie EU-weit sogar zur Pflicht. Laut EU-Gebäuderichtlinie 2010/31/EU [1] über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden dürfen ab 2021 nur noch sogenannte „Niedrigstenergiegebäude“ gebaut werden. Für behördlich genutzte Gebäude gilt dies bereits zwei Jahre früher. Unter diesem etwas schwammigen Begriff werden alle Gebäude verstanden, die eine sehr hohe Gesamt­ener­gie­effi­zienz und einen sehr geringen Energiebedarf aufweisen, der zu einem wesentlichen Teil durch Energie aus erneuerbaren Quellen gedeckt wird. Bis zum 9. Juli 2012 müssen die Mitgliedstaaten die EU-Richtlinie in nationales Recht umsetzen, was in Deutschland mit der EnEV 2012-Novelle der Fall sein wird [2]. Diesen Ansprüchen genügen hierzulande Gebäude, die nach dem Passivhaus-, Null-Energie-Haus- oder Plusenergiehaus-Standard realisiert sind sowie KfW-Effizienzhäuser 40 und 55.

Software macht Energieeffizienz berechenbar

Doch wie legt man „Nahe-Null-Energie-Gebäude“ aus und wie berechnet man die Energieeffizienz von Gebäuden zuverlässig? Auslegung, Berechnung und der Nachweis von Passiv-, Null- und Plusenergiehäusern sind keineswegs trivial und ohne Software-Unterstützung wirtschaftlich nicht realisierbar. Für die Berechnung der Gesamtenergieeffizienz gibt die EU-Gebäuderichtlinie lediglich einen allgemeinen Rahmen vor: Sie ist anhand der berechneten oder tatsächlichen Energiemenge zu bestimmen, die jährlich für Heizung und Kühlung sowie durch den Wärmebedarf für Warmwasser aufgewendet wird. Bei der Berechnung sind thermische Gebäudeeigenschaften, einschließlich der Innenbauteile zu berücksichtigen, die Heizungsanlage und Warmwasserversorgung, die Klimaanlage, Belüftung und Beleuchtung, die Gebäudegestaltung, -lage und -ausrichtung einschließlich des Außenklimas, ferner passive Solarsysteme und Sonnenschutz, Innenraumklima-Bedingungen sowie interne Lasten.

Herkömmliche Rechenverfahren oder stationäre Wärmebilanzverfahren setzen Grenzen im Hinblick auf die Variantenbildung und die Aussagekraft für Gebäude mit sehr niedrigem Heizwärmebedarf. Es werden ungefähre Richtwerte ermittelt und wich­tige Größen, wie etwa interne oder solare Wär­me­ge­winne, werden mit Durchschnittswerten berücksichtigt. Hinzu kommen Sicherheitszuschläge, die zu einer Überdimensionierung von Anlagenkomponenten führen. Da konventionelle Rechenverfahren für konventionelle Gebäude entwickelt worden sind, lassen sich umgekehrt aber auch Unterdimensionierungen von Heiz- und Kühlanlagen nicht ausschließen.

Simulationen: präziser, aber aufwendiger

Für die Verwendung exakterer Planungswerkzeuge oder gar eines dynamischen Simulationsprogramms spricht, dass damit auch über die Temperaturen im Gebäude und die Behaglichkeit für die Bewohner bzw. Nutzer verlässliche Aussagen getroffen werden können. Das ist gerade bei Niedrig- und Niedrigstenergiehäusern sinnvoll, weil einerseits die Gefahr einer sommerlichen Überhitzung, andererseits das Problem einer zu geringen Heizleistung im Winter besteht. Weisen die Gebäude zudem eine besondere Form und Nutzung auf, sind Simulationen quasi Pflicht. Je größer ein Gebäude oder je ungewöhnlicher die Gebäudeform oder Nutzungsart ist, desto sinnvoller ist der Einsatz von Simulationsprogrammen.

Die Gebäudesimulation ist in der Lage, mehrere Einflussfaktoren wie Außentemperatur, Sonneneinstrahlung und Luftfeuchte unter Berücksichtigung realer Wetterdaten und des Nutzerverhaltens präzise darzustellen. Dynamische Gebäudesimulationsprogramme erlauben tiefer ins Detail gehende Untersuchungen, denn sie berechnen in einer hohen zeitlichen Auflösung – in der Regel auf der Basis stündlicher Werte – die gewünschten Daten. Somit lassen sich insbesondere in kritischen Zeitabschnitten sehr genaue Vorhersagen hinsichtlich des Energieverbrauchs, der Temperaturverhältnisse und des Komforts treffen. Da auch Gebäudedaten wie die Gebäudegeometrie, der Bauteilaufbau und die Gebäudetechnik berücksichtigt werden, ist eine realitätsnahe Simulation möglich.

Dynamische Simulationen haben jedoch ein Problem: der Eingabe- und Rechenaufwand ist aufgrund der Vielzahl zu berücksichtigender Daten hoch. Für ein einfaches Einfamilienhaus kommen schnell mehrere tausend Eingabedaten zusammen. Alle Daten müssen korrekt und gemäß der tatsächlichen Gebäudegeometrie, des Umfelds und anderer Randbedingungen berücksichtigt werden, wenn die Simulation zuverlässige Ergebnisse liefern soll. Als Beispiel sei hier nur die Berücksichtigung der winkelabhängigen Strahlungstransmission durch die Gebäudeverglasung genannt. Dieses auf den ersten Blick unscheinbare Detail ist für die Untersuchung des sommerlichen Innenklimas nicht unerheblich, da beispielsweise eine vertikale Südverglasung im Sommer wegen des flachen Einfalls der Solarstrahlung einen niedrigeren Energiedurchlassgrad hat als im Winter. Sehr wichtig bei der Berücksichtigung solarer Gewinne ist die geometrisch exakte Ermittlung der Eigenverschattung durch Balkonüberstände oder Fensterlaibungen, aber auch die Fremdverschattung durch Nachbargebäude oder die Vegetation.

Alternativen zu Simulationsmodellen

Auch das beste Simulationsmodell kann jedoch nicht alle physikalischen Prozesse und Randbedingungen angemessen berücksichtigen. Zu komplex wären die Software und deren Bedienung, zu groß die Fehlerquote bei der Eingabe. Deshalb wurden Planungswerkzeuge mit vereinfachten Modellen entwickelt, die ein unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten günstigeres Verhältnis von Eingabeaufwand und Ergebniszuverlässigkeit versprechen. Zu den Vorteilen eines vereinfachten Berechnungsmodells zählen die schnellere Berechnung, die einfachere Dateneingabe und Bedienung sowie eine daraus resultierende geringere Fehlerwahrscheinlichkeit. Ermöglicht wurde dies unter anderem durch optimal an die Planungsaufgabe angepasste Rechenverfahren, die Berechnung von Monatsenergiebilanzen nach DIN EN ISO 13790 [3] anstelle dynamischer Simulationen mit hoher zeitlicher Auflösung und die Berücksichtigung der Erfahrungen aus einer Vielzahl validierter dynamischer Simulationsmodelle. An einigen Stellen wird bewusst von der Norm abgewichen – etwa bei der Berücksichtigung interner Wärmequellen, solarer Gewinne oder den Temperaturkorrekturfaktoren.

Obwohl Vereinfachungen stets mit einem Verlust an Genauigkeit einhergehen, konnte anhand eines Vergleichs der Berechnungsergebnisse mit den Messwerten gebauter Passivhäuser eine überraschend hohe Übereinstimmung nachgewiesen werden [4]. Für eini­ge Anwendungsfälle sind auch vereinfachte Modelle noch zu komplex. So stehen viele Parameter, die für eine detaillierte Energiebilanz erforderlich sind, in sehr früher Projektplanungsphase (Grundlagenermittlung, Vor- und Entwurfsplanung) noch nicht fest. Deshalb werden auch Lösungen wie beispielsweise PHVP angeboten, die für diese Parameter Vorgabewerte vorschlagen. Einzugeben sind im Wesentlichen noch die Wohnfläche, die Flächen und Wärmedurchgangskoeffizienten der Gebäudehülle sowie die Auslegung der Lüftungsanlage. Auf der Grundlage der eingegebenen Daten kann mit geringem Mehraufwand der erforderliche Nachweis nach Energieeinsparverordnung erstellt werden. Das vereinfachte Verfahren der Passivhaus-Vorprojektierung behandelt teilweise jedoch nur das Gebäude selbst und berücksichtigt weder die Haustechnik noch Umgebungseinflüsse.

Programme und Anbieter

Gleich mehrere Software-Lösungen sind für die Auslegung und Berechnung von Passiv-, Null- und Plusenergiehäusern mehr oder weniger gut geeignet. „Platzhirsch“, weil schon lange am Markt und speziell dafür ausgelegt, ist das vom renommierten Passivhaus Institut entwickelte Passivhaus Projektierungs-Paket (PHPP). Die Softwarepreise liegen zwischen 0 Euro (grobe Vorplanung), 100 Euro (vereinfachtes Einzonenmodell, Monatsbilanzverfahren) und mehreren 10 000 Euro (umfassende dynamische Simulationslösung). Die folgende Übersicht enthält nur eine Auswahl ohne Anspruch auf Vollständigkeit:

• Mit dem Energieberater 18599 3D Plus von Hottgenroth lassen sich energieoptimierte Wohn- und Nichtwohngebäude wahlweise nach DIN 4108-6 und DIN 4701-10/12 oder nach DIN 18599 planen und bewerten. Das Planungsmodul verfügt über eine grafische 3D-Hüllflächenerfassung. Für die Bestimmung der U-Werte stehen Bauteilkataloge und Gebäudetypologien sowie fertige Passivhausbauteile zur Verfügung. Im Bereich der Anlagentechnik können die Bereiche Kühlung, Lüftung, Heizung inklusive Warmwasser sowie Beleuchtung berücksichtigt werden. Anlagensysteme und Dämmstoffe lassen sich ebenfalls vergleichen. Die Software kann für Neubauten und in der Bestandssanierung eingesetzt werden. Weitere Infos unter http://www.hottgenroth.de
• Das Passivhaus Projektierungs-Paket (PHPP) für Wohn- und Nichtwohngebäude besteht aus Tabellenkalkulations-Rechenblättern und einem Handbuch mit Planungstipps. Enthalten sind Werkzeuge für die Berechnung von Energiebilanzen inklusive U-Wert-Berechnung, die Projektierung der Fenster und der Lüftung, die Auslegung der Heizlast, die Voraussage für den sommerlichen Komfort, die Auslegung von Heizung und Warmwasserbereitung sowie weitere Werkzeuge wie der Nachweis für die Förderung von Passivhäusern zum Beispiel durch die KfW. Die kostenlos herunterladbare Passivhaus Vorprojektierung (PHVP) ist eine stark vereinfachte Version des PHP-Pakets. Sie dient zur groben Ermittlung des zu erwartenden Heizwärmebedarfs eines Gebäudes in einer frühen Planungsphase.
• Das dynamische Simulationsprogramm DYNBIL wurde ebenfalls am Passivhaus Institut entwickelt. Es berücksichtigt dynamische Wärmeströme, konvektive Wärmeübergänge an Raumoberflächen, den Strahlungswärmeaustausch im Raum, den Einfluss des Einfallswinkels für den Strahlungsdurchgang an Fenstern und deren Verschattung, ferner Lüftungswärmeverluste, den Wärmeübergang an Außenoberflächen sowie interne Wärmequellen. Auch die vom Einfallswinkel abhängige Transmission und Strahlungsabsorption wird zu jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit vom Sonnenstand und getrennt für die diffuse Strahlung berücksichtigt. Weitere Infos unter https://passiv.de/
• TAS ist eine auf die thermische Gebäudeoptimierung spezialisierte Software der ifes GmbH, mit der die Sonnenstrahlung, Erwärmung und Abkühlung sowie Luftbewegung im Gebäude simuliert werden können. Anhand geometrisch und physikalisch exakter 3D-Gebäudemodelle werden Einflüsse auf das thermische Verhalten von Gebäude und Räumen analysiert und bewertet. Das dynamische und thermische Verhalten jeder Konstruktion wird auf der Grundlage umfangreicher Bauteildaten berechnet, wobei die Gebäudenutzung über Wertetabellen und eine Kalenderfunktion berücksichtigt wird. Klimadaten mit stündlicher Auflösung für Solarstrahlung, Temperatur, Feuchte, Windrichtung und Windgeschwindigkeit ermöglichen detaillierte Untersuchungen. Weitere Infos unter https://www.ifes-frechen.de/
• TRNSYS ist ein sehr umfangreiches, modular aufgebautes, dynamisches Gebäude- und Anlagen-Simulationsprogramm von Transsolar Energietechnik, mit dem auch beispielsweise das Verhalten von Systemen zur Solarenergienutzung und anderer regenerativer Energiequellen simuliert werden kann. Komplexe Simulationen des Gebäudes, inklusive umfangreicher Anlagentechnik sind ebenso möglich. Das Programm basiert auf einem Mehrzonen-Gebäudemodell mit integrier­ten Modellen für thermoaktive Bauteile wie Betonkernaktivierung, Fußbodenheizung, Kapillarrohrmatten oder Kühldecken. Eine große Standard-Komponentenbibliothek und die Auswahl zahlreicher Zusatzkomponenten, zum Beispiel für die geothermische Energienutzung oder Luftströmung im Gebäude machen das System flexibel einsetzbar. Weitere Infos unter http://www.transsolar.de
• Neben diesen kommerziellen Produkten gibt es auch für die Forschung und Lehre entwickelte Anwendungen. Dazu zählen unter anderem CASA­nova, ein einfaches, überschlägiges Berechnungsprogramm, mit dem sich Zusammenhänge zwischen Geometrie, Dämmung, Verglasung, solaren Gewinnen und dem Heiz-/Kühlenergiebedarf anschaulich vermitteln lassen. Weitere Infos unter http://nesa1.uni-siegen.de/index.htm?/softlab/casa_l.htm
• Auch EneC Gebäudesimulation ist ein nicht kommerzielles Werkzeug zur Energiebedarfsberechnung und zur Optimierung von Hüllflächen, der Verglasung, Anlagentechnik, des Heizwärmebedarfs, der Behaglichkeit etc. Weitere Infos unter http://www.enec.de
• PRIMERO dient der Ermittlung des Primärenergiebedarfes für Heizen, Warmwasser, Lüftung, Kühlen und Kunstlicht von Gebäuden und Räumen in früher Planungsphase. Enthalten ist auch eine Bilanz des Heizwärmebedarfes zur schnellen Abschätzung, ob ein Passivhausstandard erreicht werden kann. Weitere Infos unter ­­ http://www.­primerosoftware.de

Fazit: Auf den Input kommt es an

Die Unterschiede der hier vorgestellten Programme sind in Bezug auf den Eingabe- und Funk­tions­umfang, die Berechnungsverfahren, aber auch die Benutzerführung und das vorausgesetzte Fachwissen beträchtlich. Angesichts unterschiedlicher Berechnungsalgorithmen sind auch Unterschiede in der energetischen Bewertung von Gebäuden unvermeidlich, wobei die Ergebnisse nicht nur von der Software abhängen, sondern auch von den Eingabewerten und der Sorgfalt bei der Eingabe. Werden beispielsweise Wärmebrücken, interne Energiegewinne oder Verschattungsfaktoren lediglich überschlägig erfasst oder durchschnittliche Vorgabewerte übernommen, sind zwangsläufig auch die Ergebnisse unpräzise.

Marian Behaneck

Literaturhinweise und Quellen

[1] Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (auch: Energy Performance of Buildings Directive, kurz: EPBD), siehe http://www.enev-online.de/epbd/2010/index.htm

[2] Tuschinski, M.: EnEV 2012: Was kommt? Schritt für Schritt zur Novelle der Energieeinsparverordnung, Institut für Energie-Effiziente Architektur mit Internet-Medien, Stuttgart 2012, Download unter http://www.service.enev-online.de/bestellen/energieausweis_energiepass_enev.htm

[3] DIN EN ISO 13790: Energieeffizienz von Gebäuden – Berechnung des Energiebedarfs für Heizung und Kühlung (ISO 13790:2008), Berlin: Beuth-Verlag, September 2008

[4] Passivhaus Institut: Das PHPP. Mehr als nur eine Energiebilanz: Das Planungstool für Passivhäuser, http://www.passipedia.de

[5] Feist, W.: Anforderungen zur thermischen Behaglichkeit in Passivhäusern, Protokollband Nr. 25, Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser, Passivhaus Institut, 2004

[6] Jagnow, K./Wolff, D.: Kriterien für die Entwicklung von Software für die Gebäude- und Anlagenplanung von Niedrig-Energiehäusern. KUKA-Dokumentation Kronsberg Edition 8, 2001

Auswahl an Links zum Thema

http://www.baunetzwissen.de Infoline-Fachlexikon „Nachhaltig Bauen“

http://www.energiesparhaus.at Portal für energiesparendes Bauen

http://www.passipedia.de Passivhaus Wissensdatenbank

https://passiv.de/ Passivhaus Institut

http://www.passivhaustagung.de Internationaler Passivhaus-Jahreskongress

https://www.wikipedia.de/ Suchworte: Energiestandard, Passivhaus

http://www.zukunft-haus.info Energiesparmöglichkeiten im Alt- und Neubau

Begriffsvielfalt schafft Unsicherheit

Eine verwirrende Vielzahl an Begriffen kursiert mittlerweile um das Thema Gebäude-Energieeffizienz: Niedrig- und Niedrigstenergiehaus, Passivhaus, Null-Energie-Gebäude, Netto-Null-Energie-Gebäude, Plus-Energie-Haus und so weiter. Aus den Namen lässt sich nur schwer ableiten, welche Kriterien erfüllt sein müssen. Keiner der Begriffe ist rechtlich geschützt, allerdings gibt es eingetragene Marken, etwa das „Plusenergiehaus“. Unterschieden werden die Energieeffizienz-Standards in der Regel nach dem erforderlichen Jahres-Heizwärme- bzw. Jahres-Primärenergiebedarf, bezogen auf die Wohn- bzw. Gebäudenutzfläche, angegeben in kWh/(m²a). Zur Orientierung: Bei unsanierten Gebäuden liegt der Heizenergiebedarf bei 300 kWh/(m²a), bei Niedrigenergiehäusern bei maximal 70 kWh/(m²a), bei Passivhäusern bei maximal 15 kWh/(m²a) und beim Nullenergiehaus bei 0 kWh/(m²a). Beim Netto-Null-Energie-Gebäude und beim Plus-Energie-Haus spielt der Heizwärmebedarf eine untergeordnete Rolle. Hier ist über das Jahr eine mindestens ausgeglichene Primärenergiebilanz der Maßstab.