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Wird Kühlen wichtiger als Heizen?

19.09.2018     DR. BENEDIKT VOGEL im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE)

Praktisch jedes Schweizer Wohngebäude verfügt über eine Heizung, erst wenige hingegen über ein mechanisches Kühlsystem. Die Kühlung von Wohngebäuden dürfte in Zukunft jedoch stark an Bedeutung zulegen und neben der Heizung massgeblich zum Energiebedarf von Gebäuden beitragen, konstatiert eine Studie der Hochschule Luzern (HSLU) und formuliert eine Reihe von Empfehlungen für Gebäudeplaner.

Schweizer Wohngebäude werden im Winterhalbjahr und bedarfsweise in der Übergangszeit geheizt. Heizwärme wird über das Jahr also während einer langen Periode benötigt. Vor dem Hintergrund dieser Alltagserfahrung würde man erwarten, dass der für die kommenden Jahrzehnte erwartete Temperaturanstieg im Zuge des Klimawandels den Bedarf an Heizwärme vermindert und den dafür notwendigen Energiebedarf senkt. Die Erhöhung der durchschnittlichen Aussentemperatur, so möchte man glauben, könnte dann sogar einen Beitrag leisten, den Energiebedarf des Schweizer Gebäudeparks zu senken.

Ein Forscherteam des Instituts für Gebäudetechnik und Energie (IGE) der Hochschule Luzern – Technik & Architektur hat nun in einer Studie die Folgen des Klimawandels auf Wohngebäude untersucht. Die Untersuchung bestätigt, dass der Heizenergiebedarf sinken wird. Das ist allerdings nur die eine Seite der Medaille. Wegen der erwarteten Temperaturerhöhungen müssen Wohnräume künftig nämlich stärker gekühlt werden, wie Co-Autor Gianrico Settembrini, Leiter der Forschungsgruppe Nachhaltiges Bauen und Erneuern am IGE, ausführt: «Die heutigen Neubauten sind so gut wärmegedämmt, dass eine Erhöhung der durchschnittlichen Aussentemperatur den Heizenergiebedarf nur unwesentlich senkt. Hingegen bringt der Temperaturanstieg im Zuge des Klimawandels einen markanten Anstieg des Kühl- und damit des Energiebedarfs.» Settembrini, diplomierter Architekt ETH / SIA, hat die Studie gemeinsam mit einem Forscherteam der HSLU verfasst. Die Arbeit wurde von den Bundesämtern für Energie (BFE) und für Umwelt (BAFU) finanziell unterstützt.

Zwei Alt- und zwei Neubauten untersucht

Bereits früher hatten Gebäudeexperten der Hochschule Luzern – Technik & Architektur die Folgen des Klimawandels untersucht, damals in Bezug auf Bürogebäude. Sie waren zum Schluss gelangt, diese müssten bei der Auslegung der Kühlsysteme berücksichtigt werden (siehe BFE-Fachartikel «Gebäudeplaner wappnen sich gegen Klimawandel», abrufbar unter www.bfe.admin.ch). Die neue Studie richtet das Augenmerk nun auf Wohnbauten. Hier spielt die Gebäudetechnik eine weniger zentrale Rolle als bei Verwaltungsbauten. Im Vordergrund steht vielmehr, wie planende Architekten dem erwarteten Anstieg der Durchschnittstemperatur vorausschauend entgegenwirken können. 

Die Luzerner Forscher haben die Auswirkungen des Klimawandels anhand von vier existierenden Mehrfamilienhäusern untersucht (vgl. Fotos). Darunter waren zwei Neubauten (Massivbau nach Minergie-Standard; fortschrittlicher Holz-Hybridbau) und zwei Altbauten, einer davon denkmalgeschützt. Um die berechneten Werte vergleichen zu können, nahmen die Wissenschaftler in der ersten Projektphase für alle Gebäude einen Standort in Basel an. Die Wissenschaftler legten ihren Berechnungen das mittlere Klimaszenario (A1B) des Weltklimarats (IPCC) für den Zeitraum 2045 bis 2074 zugrunde. Nach diesem Szenario wird in diesem 30-Jahres-Zeitraum die Aussentemperatur in der Schweiz durchschnittlich um 2 °C höher sein als in der Vergleichsperiode 1980 bis 2009. Die Resultate der Studie zeigen erhebliche Unterschiede zwischen Neubauten und Altbauten (vgl. Grafik unten). Wenn nachfolgend von «Periode 1980 / 2009» bzw. «Periode 2045 / 2074» die Rede ist, ist jeweils der Medianwert der 30 Jahreswerte der Periode gemeint.

Kühlbedarf in Neubauten steigt massiv

Am markantesten sind die Auswirkungen des erwarteten Temperaturanstiegs bei den Neubauten. Als repräsentatives Gebäude für den heutigen Baustandard haben die Wissenschaftler einen 2017 errichteten Minergiebau ausgewählt. Die Simulationen führen zu folgendem Ergebnis: Der Heizenergiebedarf sinkt von Periode 1980 / 2009 zu Periode 2045 / 2074 von 8,6 auf 5,8 kWh / m2a (also –2,8 kWh / m2a bzw. –32 %), der Klimakältebedarf hingegen steigt von 0,4 auf 3,0 kWh / m2a (also +2.6 kWh / m2a bzw. +703 %). Das heisst: War der Kältebedarf in Periode 1980 / 2009 gegenüber dem Heizwärmebedarf praktisch noch zu vernachlässigen, wird der Kältebedarf in Periode 2045 / 2074 mehr als die Hälfte des Heizenergiebedarfs betragen. Pointiert formuliert: Was an Bedarf bei der Heizwärme wegfällt (–2.8 kWh / m2a), entsteht neu als Bedarf für Kühlung (+2,6 kWh / m2a).

Noch pointierter ist das Ergebnis, wenn man einen sehr warmen Sommer des Zeitraums 2045 bis 2074 betrachtet: Dann würde der Klimakältebedarf (8,2 kWh / m2a) jenen für die Heizwärme (5,0 kWh / m2a) sogar übersteigen. Diese insgesamt markante Umlagerung von der Heizung zur Kühlung wird auch augenscheinlich, wenn man die Zahl der Überhitzungsstunden betrachtet, also die Stunden, an denen die in der SIA-Norm 180 (2014) definierten Werte für behagliches Wohnen überschritten sind. Ist aktuell (Zeitraum 1980 bis 2009) in einem sehr warmen Sommer mit 200 Überhitzungsstunden zu rechnen, wären es in einem sehr warmen Sommer im Zeitraum 2045 bis 2074 nahezu 900 Stunden, was rund einem Fünftel des gesamten Sommerhalbjahres entspricht. In den oben genannten Werten ist der zusätzliche Kühlbedarf, der sich in Städten durch den Klimainseleffekt (eine Folge von dichter Bebauung und starker Versiegelung des Bodens) ergibt, noch nicht berücksichtigt. Mit einem ebenfalls nochmals deutlich erhöhten Klimakühlbedarf ist an warmen Standorten wie dem Tessin zu rechnen. In Lugano wäre in einem sehr warmen Jahr zwischen 2045 und 2074 mit 1400 Überhitzungsstunden zu rechnen, nahezu ein Drittel des gesamten Sommerhalbjahres.

Altbauten halten die Wärme fern

Ein anderes Bild zeigen die Simulationen der HSLU-Wissenschaftler bei den Altbauten, die im allgemeinen Klimakältebedarf von 0,0 auf 0,7 kWh / m2a nur unmerklich zunimmt. Der Heizwärmebedarf liegt hier also weiterhin weit über dem Klimakältebedarf. Ähnlich fällt der Befund beim zweiten untersuchten Altbau («Altbau denkmalgeschützt ») aus. Hierzu halten die HSLU-Forscher fest: «Hinsichtlich der Behaglichkeit in der Sommerperiode zeigten Altbauten bedeutend bessere Werte als die Neubauten. Dies hat mit den typologischen Eigenschaften – in erster Linie mit dem Fensteranteil – der jeweiligen Gebäude zu tun.»

Unter dem Strich bleibt das Fazit: Bei Altbauten wird auch in Periode 2045 / 2074 die Behaglichkeit in den Wohnräumen gegeben sein. Bei Neubauten hingegen ergibt sich gegenüber heute (Periode 1980 / 2009) ein massiv höherer Kühlbedarf. Dieser kann durch mechanische Kühlsysteme sichergestellt werden, was zu einer Erhöhung des Energiebedarfs führt. Zumindest ein Teil des Kühlbedarfs lässt sich aber auch ohne Zusatzenergie decken, indem nämlich die Bewohner abends, über Nacht und / oder morgens die Fenster öffnen und damit die tieferen Nachttemperaturen für die Kühlung nutzen. Immer vorausgesetzt, Strassenlärm oder Einbruchsgefahr und andere Umstände stehen dem nicht entgegen.

Verhalten der Bewohner ist zentral

Das Verhalten der Bewohner ist einer der wichtigen Faktoren, um dem absehbaren, zusätzlichen Kühlbedarf bei Wohngebäuden Herr zu werden. Die HSLU-Forscher empfehlen in ihren Schlussfolgerungen, Sonnenschutzsysteme so zu konzipieren, dass die einfache Bedienung sichergestellt ist. Die Forscher kommen zu dem bemerkenswerten Ergebnis, dass sich der gesamte zusätzliche Klimakältebedarf auch in Neubauten selbst in sehr warmen Jahren der Periode 2045 bis 2074 über konsequenten Sonnenschutz und natürliches Lüften decken lasse: «Die Simulationsergebnisse der Studie zeigen, dass die Behaglichkeit in Wohnbauten durch optimales Lüftungsverhalten und optimale Nutzung des Sonnenschutzes auch in warmen Jahren die Gebäudetechnikplanern. So erachten sie die Automatisierung elektrischer Sonnenschutzsysteme als sinnvoll. Auch die Automatisierung der Fenster zur Förderung der natürlichen Kühlung sei «ein untersuchenswerter Ansatz», schreiben die Forscher. Mechanische Lüftungssysteme, da wo sie eingesetzt werden, sollten nicht wie bisher auf den Winterfall ausgelegt werden, sondern so, dass sie «auf den Sommerfall angemessen reagieren können».

Gegenmassnahmen bei grossen Fensterflächen

Da die grossen Fensterflächen in Neubauten den wachsenden Kühlbedarf massgeblich verursachen, sehen die Wissenschaftler bei der Befensterung (Qualität, Ausrichtung, Fläche, Öffnungsmöglichkeit, Beschattung usw.) einen wichtigen Anknüpfungspunkt für Planer. «Durch eine Reduktion des Fensteranteils lassen sich die Behaglichkeit und die Energiebilanz in Wohnbauten heute – und noch verstärkt in der Zukunft – massgeblich verbessern», schreiben die Wissenschaftler und ergänzen: «Angesichts des immensen Einflusses des Fensteranteils auf den Energiebedarf sowie der Behaglichkeit erscheinen diesbezüglich differenzierte Normvorgaben oder Vorschriften denkbar. Ein ausserordentlich hoher Fensteranteil könnte beispielsweise an spezifische Massnahmen zur Gewährleistung von Behaglichkeitskriterien gekoppelt werden. Dies können zwingende Vorgaben zu «Free Cooling» oder «Geocooling » sein.»

VARIATION DES HEIZWÄRME- /KLIMAKÄLTEBEDARFS

Der zentrale Befund der Luzerner Gebäudeforscher grafisch dargestellt: Wegen der erwarteten Temperaturerhöhung im Zuge des Klimawandels nimmt für alle vier untersuchten Gebäude der Heizwärmebedarf ab und der Klimakältebedarf zu. Für jedes Gebäude zeigt die Säule links den Wert für den Zeitraum 1980 bis 2009, die Säule rechts den Wert für den Zeitraum 2045 bis 2074 (jeweils den Median von 30 Jahreswerten). GRAFIK IGE / HSLU

WEITERE INFOS

 Den Schlussbericht zum Projekt finden Sie unter www.aramis.admin.ch Auskünfte zu dem Projekt erteilt Rolf Moser (moser(at)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