I

Kurzfassung

Ist es ein Widerspruch, wenn höhere Investitionen in zukunftsweisende Gebäudetechniken investiert werden, dies auch gleichzeitig zu niedrigeren verbrauchsgebundenen Kosten führt? Ist ein Gebäude mit einfacher Gebäudetechnik auch das Wirtschaftlich günstigere?

In dieser Diplomarbeit wird durch eine Annuitätsrechnung gezeigt, dass höhere Investitionen in die Gebäudetechnik nicht gleich zu setzen sind mit höheren Annuitätskosten im Jahr.

Untersucht wurde die Wirtschaftlichkeit der bestehenden Ausgangsvariante mit drei neu ausgearbeiteten Varianten mit wechselnder Ausstattung bei der Gebäudetechnik. Die Varianten haben zum Ziel, weniger Heiz- und Kühlenergie und elektrischen Strom als die Ausgangslage zu benötigen. Zudem wird durch die Wahl anderer Erzeugungsarten und dem Einsatz einer Wärmerückgewinnung Energie eingespart. Besonders in Zeiten steigender Energiekosten und Rohstoffverknappung wird der Einsatz moderner Gebäudetechnik immer wichtiger.

Anhand der Annuitätsrechnung konnte belegt werden, dass die Variante, die die größte positive Abweichung bei den Investitionskosten zur Ausgangslage besitzt, die Lösung ist, welche die geringsten jährlichen Annuitätszahlungen verursacht.

Abstract

Is it a contradiction if higher investments into state of the art building engineering lead to lower consumption-bound costs at the same time? Is a building with simple building engineering also economically more favourable?

In this thesis it is shown with the help of an annuity calculation that higher investments into building engineering should not be directly correlated with higher annuity costs over the year.

The economics of the existing output variant were examined together with three newly defined variants of changed equipment in building engineering. The variants are defined as to lead to less heating, cooling and electric power requirements than in the initial outset. Furthermore, energy is saved by choosing an alternative genera-

II

tion and a heat recovery system. Particularly at times of rising energy costs and commodity shortages the employment of modern building engineering becomes ever more important.

On basis of the annuity calculation it could be proven that the variant with the largest positive deviation of investment costs to the initial costs is also the solution with the lowest resulting annuity payments.

III

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung.   I

Abbildungsverzeichnis   V

Tabellenverzeichnis   VI

Formelzeichen  und Abkürzungen  VII

1  Einleitung  1

2  Handlungsbedarf  2

3  Allgemeine Objektbeschreibung.  3

3.1  Allgemein.  3

3.1.1  Standort  3

3.2  Gebäude.  4

3.2.1  Konzeption.  4

3.2.2  Regelgeschosse  5

3.2.3  Fassade.  5

3.3  Technische Gebäudeausrüstung.  6

3.3.1  Heizung  6

3.3.2  Lüftung  7

3.3.3  Kälte  7

4  Ausgangslage  11

4.1  Simulation.  11

4.1.1  Einleitung und Zielsetzung  11

4.1.2  Sommerliche Behaglichkeit und Rechtslage.  11

4.1.3  Vorgehensweise bei der thermischen Gebäudesimulation.  12

4.1.4  Wetter.  12

4.1.5  Geometrie der Büroräume  13

4.1.6  Innere thermische Lasten  14

4.1.7  Betriebsführung  15

4.1.8  Weitere Simulationsrandbedingungen.  15

4.2  Simulationsergebnisse  16

4.2.1  Auswertung der Ergebnisse.  16

4.2.2  Zellenbüro Süd-West.  17

4.2.3  Zellenbüro Süd-Ost  17

IV

4.2.4  Zellenbüro Nord-Ost  18

4.2.5  Operative Raumtemperaturen bei einer Extremwetterperiode  19

4.2.6  Kühlleistung des thermoaktiven Bauteils  20

4.2.7  Großraumbüros  21

4.3  Winterliche Behaglichkeit  21

4.4  Wohlbefinden und Raumklima.  22

5  Technischen Gebäudeausrüstung.  25

5.1  Ausgangslage.  25

5.2  Varianten der technischen Gebäudeausrüstung.  26

5.2.1  Variante 1 - Erhöhte Wärmedämmung  26

5.2.2  Variante 2 - Passivbürohaus.  27

5.2.3  Variante 3 - Passive Kühlung.  29

5.3  Beurteilung der Varianten  31

6  Kosten und Wirtschaftlichkeit  33

6.1  Wirtschaftlichkeitsberechnung nach der Annuitätsmethode  33

6.2  Ermittlung der Kosten  34

6.2.1  Kapitalgebundene Auszahlungen  35

6.2.2  Bedarfs-(Verbrauchs-)gebundene Auszahlungen.  37

6.2.3  Betriebsgebundene Auszahlungen.  38

6.2.4  Sonstige Zahlungen.  39

6.3  Einzahlungen.  39

6.4  Annuität der Jahresgesamtzahlungen  40

6.5  Rechnerische Randbedingungen  41

6.6  Ergebnisse der Annuitätsmethode.  42

6.6.1  Ergebnis der Ausgangslage.  42

6.6.2  Ergebnis der Variante 1.  46

6.6.3  Ergebnis der Variante 2.  48

6.6.4  Ergebnis der Variante 3.  51

6.7  Bewertung  53

7  Fazit  57

Literaturverzeichnis   59

V

Abbildungsverzeichnis   

Bild  3.1-1: Lageplan Bavaria St. Pauli Brauerei Gelände mit Bavaria Office  3

Bild  3.2-2: Computergrafik des Bavaria Office  4

Bild  3.3-1: Übersicht der Verlegung der thermoaktiven Bauteile.  8

Bild  3.3-2: Querschnitt eines Zellenbüros  9

Bild  3.3-3: Querschnitt eines Großraumbüros mit abgehängter Decke.  10

Bild  4.1-1: Operative Raumtemperatur nach DIN 1946-2  11

Bild  4.1-2: Simulierte Zellenbüros mit hohen externen thermischen Lasten  13

Bild  4.1-3: Simulierte Großraumbüros mit hohen externen thermischen Lasten  14

Bild  4.2-1: Zellenbüro Süd-West  17

Bild  4.2-2: Zellenbüro Süd-Ost.  18

Bild  4.2-3: Zellenbüro Nord-Ost  19

Bild  4.2-4: Operative Raumlufttemperaturen während einer Extremwetterperiode  20

Bild  4.2-5: Kühlleistung des thermoaktiven Bauteils  20

Bild  4.2-6: Großraumbüros Bereich A und B.  21

Bild  4.4-1: Faktoren des menschlichen Wohlbefindens  22

Bild  4.4-2: Leistungsfähigkeit des Menschen.  23

Bild  5.2-1: Büroraumschnitt der Variante 1  26

Bild  5.2-2: Büroraumschnitt der Variante 2  28

Bild  5.2-3: Büroraumschnitt der Variante 3  30

Bild  6.2-1: Barwert der Ersatzbeschaffungen.  36

Bild  6.7-1: Investitionskosten  54

Bild  6.7-2: Aufteilung der Annuitätskosten  55

Bild  6 7-3: Gesamtannuität  55

VI

Tabellenverzeichnis   

Tabelle 5.1-1:  Ausgangslage Bavaria Office  25

Tabelle 5.2-2:  Variante 1- Erhöhte Wärmedämmung  27

Tabelle 5.2-3:  Variante 2 - Passivbürohaus  29

Tabelle 5.2-4:  Variante 3 - Passive Kühlung  31

Tabelle 6.2-1:  Beispiele für Kostengruppen und Kostenarten  34

Tabelle 6.5-1:  Ausgeführte Anlagenkomponenten  42

Tabelle 6.6-1:  Investitionskosten Ausgangslage  43

Tabelle 6.6-2:  Jahres-Heizwärmebedarf der Ausgangslage.  43

Tabelle 6.6-3:  Gesamtannuität Ausgangslage  45

Tabelle 6.6-4:  Investitionskosten Variante 1.  46

Tabelle 6.6-5:  Jahres-Heizwärmebedarf der Varianten  47

Tabelle 6.6-6:  Gesamtannuität Variante 1.  48

Tabelle 6.6-7:  Investitionskosten Variante 2.  49

Tabelle 6.6-8:  Gesamtannuität Variante 2.  51

Tabelle 6.6-9:  Investitionskosten Variante 3.  52

Tabelle 6 6-10:  Gesamtannuität Variante 3  53

VII

Formelzeichen und Abkürzungen

Formelzeichen Bedeutung Maßeinheit

A 0 Investitionsbetrag € A 1, 2, ..., n Barwert der 1., 2., ..., n-ten Ersatzbeschaffung € A B1 betriebsgebundene Zahlungen € A N Gesamtannuität € A N,B Annuität der betriebsgebundenen Kosten € A N,E Annuität der Einzahlungen € A N,K Annuität der kapitalgebundenen Kosten € A N,S Annuität der sonstigen Kosten € A N,V Annuität der verbrauchsgebundenen Kosten € A S1 sonstige Zahlungen € A V1 bedarfs-(verbrauchs-)gebundene Zahlungen € a Annuitätsfaktor - b Barwertfaktor - b B Barwertfaktor für betriebsgebundene Zahlungen - b E Barwertfaktor für Einzahlungen - b IN Barwertfaktor für Instandsetzungszahlungen - b K Barwertfaktor für kapitalgebundene Zahlungen - b S Barwertfaktor für sonstige Zahlungen - b V Barwertfaktor für bedarfs-(verbrauchs-)gebundene Zahlungen - ba preisdynamischer Annuitätsfaktor - ba B preisdynamischer Annuitätsfaktor für betriebsgebundene Zahlungen - ba E preisdynamischer Annuitätsfaktor für Einzahlungen - ba IN preisdynamischer Annuitätsfaktor für Instandsetzungszahlungen - ba K preisdynamischer Annuitätsfaktor für kapitalgebundene Zahlungen -

VIII

ba S preisdynamischer Annuitätsfaktor für sonstige Zahlungen - ba V preisdynamischer Annuitätsfaktor für bedarfs-(verbrauchs-)gebundene Zahlungen - E 1 Einzahlungen € e g Aufwandszahl der Erzeugung - Fc Abminderungsfaktor - f K Faktor für die Instandsetzung des Investitionsbetrages % g Gesamtenergiedurchlassgrad % n Anzahl der Ersatzbeschaffungen innerhalb des Betrachtungszeitraums - P mains Die an die Ventilatoren der Luftbehandlungseinheit / des Ventilators gelieferte Leistung W Δp fan Der Gesamtdruckanstieg vom Ventilatoreinlass zum Auslass Pa q Zinsfaktor -Energieaufwand der Wärmeerzeugung kWh Q 3,Wärme

Energieaufwand der Kälteerzeugung kWh Q 3,Kälte

Stromaufwand kWh Q 3,Strom

Wasseraufwand m³ Q 3,Wasser

Heizwärmebedarf kWh Q HA

Wärmeendenergie kWh Q H,E

r Preisänderungsfaktor - R W Restwert € T Betrachtungszeitraum a T N Nutzungsdauer der Anlagenkomponente a U Wärmedurchgangskoeffizient W/(m²K) U b Wärmedurchgangskoeffizient Brüstungsbänder W/(m²K) U f Wärmedurchgangskoeffizient Rahmen W/(m²K) U f,BW Wärmedurchgangskoeffizient Bemessungswert des Rahmen W/(m²K) U g Wärmedurchgangskoeffizient Verglasung W/(m²K)

IX

U w Wärmedurchgangskoeffizient Fenster W/(m²K)

η ges Gesamtwirkungsgrad - η a mittlerer Jahresnutzungsgrad - η tot Der gesamte Wirkungsgrad der Luftbehandlungseinheit/des Ventilators - η V Verteilungsgrad - θ H,E Wärmeendenergie pro m² kWh/m² θ ce Flächenbezogener Verlust der Wärmeübergabe kWh/m² θ d Flächenbezogener Wärmeverlust der Verteilung kWh/m² τ Lichttransmission % ν Der Luftstrom durch die Luftbehandlungseinheit/den Ventilator m³/s ν fan Der Luftstrom durch den Ventilator m³/s ϑ max maximale operative Raumlufttemperatur °C ϑ RL Rücklauftemperatur °C ϑ VL Vorlauftemperatur °C

Abkürzungen Bedeutung

BGF Brutto-Grundfläche RLT Raum-Luft-Technik SSV Sonnenschutzverglasung WLG Wärmeleitgruppe

1

1 Einleitung

Heutzutage ist es für Bauherren und Projektentwickler immer wichtiger, Gebäude zu entwickeln, die einen hohen Nutzerkomfort bei geringem Energieverbrauch bieten. Eine gute Wärmedämmung der Fassade, passive Kühlung und optimierte Tageslichtnutzung werden als einige der Erfolgsfaktoren angesehen. Welchen Einfluss hat der Einsatz moderner, zukunftweisender Gebäudetechnik auf die Wirtschaftlichkeit von Bürogebäuden und auf den Nutzerkomfort? Wie können zukunftsfähige Gebäudekonzepte unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit umgesetzt werden?

Am Beispiel des Bürogebäudes Bavaria Office in Hamburg wurde in Kooperation mit HSH Real Estate AG untersucht, welche Möglichkeiten zur Energieeinsparung durch gebäudetechnischen Anlagen bestehen. Höhere Investitions- und Betriebskosten für die technische Gebäudeausrüstung sind nicht gleich zu setzen mit einer höheren Arbeitsplatzqualität. Durch eine Wirtschaftlichkeitsanalyse wird gezeigt, welche Alternativen in Zukunft für vergleichbare Neubauprojekte angewendet werden können. Die Wirtschaftlichkeit eines Gebäudes definiert sich nicht nur aus den Investitions- und Betriebskosten, sondern auch durch die Produktivität der Nutzer, welche durch das Wohlbefinden und den Nutzerkomfort bestimmt wird.

Als Ausgangsbasis für die Analyse wurde die technische Gebäudeausrüstung des Bavaria Office angesetzt und mit Hilfe der Dokumentation zu den Simulationen der Stand der technischen Gebäudeausrüstung definiert. Untersucht wurden Zellenbüros, Großraumbüros und Besprechungsräume. Die aktuellen Herstellkosten und die Kosten für die alternativen Varianten der technischen Gebäudeausrüstung wurden von den gleichen Planungsbüros kalkuliert. Dies gewährleistet eine hohe Vergleich- barkeit der verschiedenen Varianten in der Wirtschaftlichkeitsanalyse.

2

2 Handlungsbedarf

Im Wohnungsbau finden Niedrigenergiehäuser immer mehr Zuspruch bei interessierten Käufern und Mietern.

Dies hat sich bisher noch wenig auf den Nichtwohnungsbau übertragen. Bei einem Anteil bis zu 25 % an den Betriebskosten für Raumkonditionierungsanlagen ist hier ein Umdenken erforderlich. Durch den Einsatz von Fachkräften schon in der Konzept- und Entwurfsphase, lässt sich ein minimaler Energie- und Technikeinsatz erzielen.

Für die Vermarktungsfähigkeit ist das Wohlbefinden der Mieter und Nutzer ein relevanter Faktor. Die Möglichkeit selbst in das Raumklima einzugreifen, das Fenster zu öffnen oder den Sollwert der Heizung einzustellen , ist für das Wohlempfinden der Nutzer von entscheidender Bedeutung. Für den thermischen Komfort im Winter spielt die Verteilung der Wärme durch Strahlung und Konvektion eine wichtige Rolle. In der Übergangszeit und im Sommer bilden größere interne Wärmequellen eine Heraus-forderung zur Abführung der Lasten.

Die sich in regelmäßigen Abständen ändernde Gesetzeslage ist ein weiterer wichtiger Grund, Gebäude mit geringem Energieverbrauch zu entwickeln und zu bauen. Die neue DIN V 18599 [1] berücksichtigt das Energiebilanzverfahren der Kühlung der Räume bei Nichtwohngebäuden. Wenn der Stromverbrauch, welcher zum Beispiel bei Wärmepumpen zum Einsatz kommt in die gesetzlichen Vorgaben mit einbezogen wird, wird das die zukünftigen Planungen der HLK-Anlagen maßgeblich bestimmen.

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3 Allgemeine Objektbeschreibung

3.1 Allgemein

3.1.1 Standort

Das Gebäude befindet sich auf dem ehemaligen Grundstück der Bavaria St. Pauli Brauerei. Das 30.000 m² große, ehemalige Gewerbegrundstück liegt oberhalb der Landungsbrücken auf einem Geländeplateau. Dort entsteht derzeit ein Stadtquartier mit Bürogebäuden, Wohnungen und einem Hotel.

Auf dem Grundstück nimmt das Gebäude eine zentrale Position ein: Im Westen schließt das Gebäude direkt an den Gebrüder Wolff Quartiersplatz. Im Süden befindet sich eine zweite Platzfläche. Im Osten schließt das Gebäude an den auf seine historische Achse zurück verlegten Zirkusweg an, auf dessen gegenüberliegender Straßenseite ebenfalls ein modernes Bürogebäude (Atlantic Haus) errichtet wird. Im Norden schließt ein neu zu errichtendes Wohngebäude die Quartiersentwicklung ab. Das Gebäude öffnet sich über 2 doppelgeschossige Foyers. Die Eingänge werden zentral über die südliche Freifläche und an der nordöstlichen Gebäudespitze erschlossen. [2]

Bild 3.1-1: Lageplan Bavaria St. Pauli Brauerei Gelände mit Bavaria Office [2]

4

3.2 Gebäude

3.2.1 Konzeption

Das Gebäude bildet mit dem anschließenden Wohnungsbau einen Gesamtblock, entlang der Hopfenstraße, dem Zirkusweg, und dem Gebrüder Wolff-Platz. Das Bürogebäude zieht sich vom Kreuzungsbereich Hopfenstraße / Zirkusweg bis zum Gebrüder Wolff-Platz. Der Hauptbaukörper, entlang des Zirkusweges und des südlichen Platzes, ist achtgeschossig ausgeführt. Es stehen insgesamt 12.400 m² oberirdischer BGF zur Verfügung. [2]

Bild 3.2-2: Computergrafik des Bavaria Office [2]

Entlang des Gebrüder Wolff-Platzes, als Überleitung zur angrenzenden Wohnbebauung, reduziert sich der Gebäudekörper in der Höhe auf fünf Geschosse. Bedingt durch die Geometrie des Gesamtgrundrisses ergeben sich unterschiedliche Gebäudetiefen und Verschneidungen der einzelnen Baukörper. Die Grundrisse bieten neben der Zweibundanlage auch Möglichkeiten alternativer Nutzungen zu den klassischen Büroteilungen. Drei Untergeschosse zur Aufnahme der Technikräume sowie zur Nutzung als dreigeschossige Tiefgarage sind vorgesehen. [2]