Stellschrauben der TGA in der Ökobilanzierung von Gebäuden

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Um diese Einflussgrößen und den Energieverbrauch des Gebäudes im Betrieb zu bewerten, bietet die Methode der Ökobilanzierung eine Grundlage zur nachhaltigen Planung und Bewertung der Umweltwirkungen eines Gebäudes. Im Rahmen dieses Fachartikels werden die Grundlagen der Ökobilanzierung auf nationaler Ebene vorgestellt und darüber informiert, welche Einflussmöglichkeiten sich insbesondere durch die technischen Gewerke auf die Ökobilanz eines Gebäudes ergeben (siehe Abbildung 1).

Welcher Betrachtungsrahmen eines Gebäudes geht in die Ökobilanzierung ein und welche Begriffe sind relevant?
Die Ökobilanzierung – auch „Life Cycle Assessment (LCA)“ genannt – ist ein Instrument zur Berechnung der emissionsbedingten Umweltwirkung eines Gebäudes über einen definierten Betrachtungszeitraum. Der Energieverbrauch eines Gebäudes und die dadurch bedingten Emissionen werden zum einen durch alle im Gebäude verbauten Baustoffe und Materialien und zum anderen durch die während der Nutzung des Gebäudes benötigte Energie für Heizung, Lüftung, Kühlung und Beleuchtung verursacht. In Abbildung 2 wird der Stoffkreislauf und somit der 
Betrachtungsrahmen eines Gebäudes bei einer Ökobilanzierung dargestellt.

Um die endlichen Materialressourcen zu schonen und einen kleinen CO2-Fußabdruck (Ökobilanz) des Gebäudes zu erreichen, muss ein besonderer Fokus darauf gelegt werden, dass die zu verbauenden Materialien und Bauteile am Lebensende wieder gut demontierbar, sortenrein trennbar und schadstoffarm sind. Damit ist gewährleistet, dass sie möglichst ohne Abwertung als Wiederverwendung (Reuse) oder mit geringfügiger Abwertung (Recycling) und möglichst ohne Abfall wieder in den Materialkreislauf aufgenommen und verwendet werden können. Materialien, die keiner Wiederverwertung zugeführt werden können, verlassen an dieser Stelle den Stoffkreislauf und landen heute mangels technischer und wirtschaftlicher Möglichkeiten entweder auf der Deponie oder in der thermischen Verwertung. 

Die Lebenswegphasen eines Gebäudes, die in einer Ökobilanzierung berücksichtigt werden, sind in der DIN EN 15978 geregelt. Gemäß Auszug aus der Norm werden die Herstellungsphase (A1 – A3), Errichtungsphase (A4 – A5), Nutzungsphase (B1 – B7), Entsorgungsphase (C1 – C4) und das Potenzial für Wiederverwertung, Rückgewinnung und Recycling (D) in der Ökobilanzierung berücksichtigt (siehe Abbildung 3).

Welche Umweltindikatoren werden ausgewertet und woher kommen die Daten?
Bei der Ökobilanzierung werden die emissionsbedingten Umweltwirkungen eines Gebäudes bewertet. Die Auswertung unterscheidet die globalen Umweltwirkungen und die globale Nutzung endlicher Ressourcen (siehe Tabellen 1 und Tabelle 2). In den tabellarischen Übersichten sind die in einer Ökobilanzierung üblicherweise ausgewerteten Umweltindikatoren und die Beeinflussung dieser kurz erläutert.

Die für die Bewertung notwendigen Kenndaten werden im Idealfall in Umweltproduktdeklarationen – auch Environmental Product Declaration (EPD) – von den Herstellern der Bauprodukte zur Verfügung gestellt. Die EPDs auf Grundlage der EN 15804 stellen vergleichbare Informationen über die Umweltleistung von Produkten bereit, die mindestens nach den in den Tabellen 1 und 2 definierten Umweltindikatoren und den in Abbildung 3 dargestellten Phasen ausgegeben werden (siehe Beispielauszug aus der Umweltproduktdeklaration eines Volumenstromreglers von Wildeboer Bauteile GmbH in Abbildung 7). 

Neben den produktspezifischen EPDs werden auch generische Datensätze von EPDs für einzelne Baustoffe (z.B. Beton, Kupfer) einmal im Jahr vom BBSR (Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung) in Auftrag gegeben und veröffentlicht. Diese werden auf der Basis von allgemein zugänglichen Statistiken und Daten bereitgestellt. Bei der Ökobilanzierung von Gebäuden wird für die meisten Materialien zurzeit noch auf generische Datensätze zurückgegriffen. Ein Grund ist die noch im Aufbau befindliche Datenbank der verfügbaren EPDs durch Herstellerinformationen.

Grundlage für die Berechnung der Ökobilanzierung ist die DIN EN 15978. Die verwendeten Bauteile werden nach DIN 276 gegliedert und ihre jeweiligen Mengen und Massen nach den Kostengruppen 300, 400 und 500 (bei beteiligten Außenanlagen) erfasst. Je nach Bezugseinheit (m, m², m³, Stück usw.) der verwendeten EPD ist eine Umrechnung auf die richtige Bezugsgröße notwendig. Bei digitalen Abbildungen zu bilanzierender Bauteile ist also eine Angabe der Bezugsgröße (statische Produktmodelle) oder eine geometrische bzw. regelbasierte Aufmessbarkeit (parametrische Modellierung) zwingende Voraussetzung für eine modellbasierte Berechnung.

Gibt es aktuell eine gesetzliche  Verpflichtung, eine Ökobilanz für ein Gebäude zu erstellen?
Aktuell gibt es (noch) keine gesetzliche Verpflichtung auf nationaler Ebene zur Erstellung einer Ökobilanzierung eines Gebäudes. Zukünftig ist auf europäischer und nationaler Ebene geplant, die Ökobilanzierung mit der Ausstellung eines Gebäuderessourcenpasses zu dokumentieren. Jedoch sind schon heute im Rahmen von nachhaltigen Gebäudezertifizierungen, z. B. nach DGNB (Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen), BNB und im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) Ökobilanzen zur Nachweisführung aufzustellen. Auf diese wird nachfolgend genauer eingegangen.

Bei Gebäuden mit Förderung nach BEG ist die Ökobilanzierung sowie die Einhaltung von Grenzwerten zum Förderbestandteil bei Neubauten geworden. Das Förderprogramm wird in der BEG seit dem 01.03.2023 als Klimafreundlicher Neubau (KFN) bezeichnet. Die Ökobilanzierung ist nach den sogenannten QNG-Randbedingungen (QNG = Qualitätssiegel Nachhaltiges Gebäude) nachzuweisen. Dabei beschränken sich die Anforderungen nach QNG auf die zulässigen Treibhausgasemissionen und den zulässigen Primärenergiebedarf nicht erneuerbar im Gebäudelebenszyklus. Für ein Wohngebäude liegt der Grenzwert beispielsweise für QNG-Plus bei den Treibhausgasemissionen bei maximal 
24 kg CO2-Äquivalent/m²a und für den zulässigen Primärenergiebedarf nicht erneuerbar bei maximal 96 kWh/m²a. Für Nichtwohngebäude werden die Anforderungswerte individuell auf Grundlage der bauphysikalischen Energiebilanzierung ermittelt. Hierbei sind die besonderen Berechnungsvorgaben nach QNG zu beachten. Das Modul D (Recyclingpotenzial und Effekte exportierter Energie) wird beispielsweise nicht in die Bilanzierung einbezogen, sondern nur separat (informativ) ausgewiesen. 

Sowohl für die unterschiedlichen nachhaltigen Zertifizierungssysteme als auch für Förderungen nach BEG gelten andere Bilanzierungsrandbedingungen, andere Grenzwerte und unterschiedliche Auswerteregelungen. Für das QNG sind beispielsweise festgelegte EPD-Datensätze zu verwenden, während für die Ökobilanzierung z. B. nach DGNB die aktuellen generischen Datensätze der ÖKOBAUDAT zu verwenden sind. Dies hat zur Folge, dass bei Gebäuden mit Zertifizierung und Förderung nach BEG zwei Ökobilanzen aufgestellt werden müssen, zum einen nach DGNB-Randbedingungen und zum anderen nach QNG-Randbedingungen. 

Einfluss der TGA auf die Ökobilanzierung
Der größte Hebel zur positiven Beeinflussung der Ökobilanz eines Gebäudes ist der Verzicht auf Materialien bzw. eine auf das Minimum reduzierte Menge von Materialien. Eine weitere notwendige Zielsetzung ist die Umsetzung eines klimaneutralen Gebäudebetriebs. Die TGA-Gewerke haben durch das gewählte Energieversorgungskonzept, aber auch durch die Anzahl und Auswahl der Materialien in der TGA-Konstruktion und die verwendeten Kältemittel einen großen Einfluss auf die Ökobilanzierung.

Herstellungsphase A1 – A3
In der Herstellungsphase werden die Materialien hinsichtlich ihrer globalen Umweltwirkungen für die Rohstoffbeschaffung, den Transport zum Werk und die Produktion des Materials bewertet. Die Systemgrenze deckt die Prozesse „von der Wiege bis zum Verlassen des Werksgeländes“ ab. In Anlehnung an die Systemgrenzen von Ökobilanzierungen im Rahmen von Zertifizierungsprozessen werden für die Konstruktion nur die Baustoffe und Materialien der Kostengruppen 300 (Baukonstruktionen) und 400 (Technische Anlagen) erfasst. 

Die Tragkonstruktion (KG 300) stellt den größten Anteil an den globalen Umweltwirkungen im Hinblick auf das Treibhauspotenzial und den Primärenergiebedarf nicht erneuerbar dar. Unabhängig davon kann auch in der TGA durch die Auswahl von Materialien mit geringen Umweltwirkungen, reuse- und recyclingfähigen Baustoffen und Bauteilen und möglichst wenig Verklebung ein positiver Einfluss auf die Ökobilanzierung genommen werden.

Vergleich des Treibhauspotenzials hinsichtlich der Materialwahl
In Abbildung 4 wurde anhand von generischen Datensätzen aus der ÖKOBAUDAT von 2022 ein Vergleich von fünf Trinkwasserrohren aus unterschiedlichen Materialien hinsichtlich des Treibhauspotenzials aufgestellt. Hierbei wird ein Edelstahl-Trinkwasserrohr mit vier unterschiedlichen Kunststoff-Trinkwasserrohren verglichen. Die dargestellte Auswertung bezieht sich auf Trinkwasserrohre mit einer Nennweite von DN 12 pro Meter Rohrlänge. Bezogen auf die Masse hat Edelstahl im Vergleich zu Kunststoff ein geringeres CO₂-Äquivalent. Aufgrund des höheren Gewichts von Edelstahl-Trinkwasserrohren pro Meter ergibt sich bei Kunststoffrohren ein geringeres Treibhauspotenzial. Diese Darstellung soll nicht den Eindruck vermitteln, dass die Verwendung von Kunststoffrohren grundsätzlich nachhaltiger sei als die von Edelstahlrohren. Denn auch die Rückbau- und Recyclingfreundlichkeit sowie die Wiederverwendung von Materialien und die Schließung von Material- und Stoffkreisläufen spielt eine immer bedeutendere Rolle im Bauprozess. 

So entfällt z. B. bei Edelstahlprodukten die Abfallbehandlung, da Edelstahl zum Großteil aus legiertem Schrott hergestellt wird und somit die Verwendung von begrenzten Ressourcen minimiert. Weiterhin werden Edelstahlprodukte heutzutage zu annähernd 100% recycelt, während Kunststoffabfälle aktuell zum größten Teil der energetischen Verwertung zugeführt werden. 

Bei der Auswahl von Materialien spielt daher nicht nur die Herstellung, sondern auch die Rückbau-, Recycling- und Reuse-Freundlichkeit der einzelnen Materialien eine entscheidende Rolle. Das oberste Ziel bei der Einsparung von Ressourcen sollte daher im ersten Schritt die Vermeidung sein – benötigen wir das Material überhaupt? Im zweiten Schritt stehen immer das „Erhalten“ des Materials in seiner ursprünglichen Form und die Weiterverwendung im Bauprozess im Fokus. Dies bedeutet z. B. für ein Edelstahlrohr, dass es am Lebensende eines Gebäudes ausgebaut wird und (ohne einschmelzen) in einem anderen Gebäude weiterverwendet wird (Reuse), wenn gleichzeitig die Hygieneanforderungen eingehalten werden können.

Erstellung einer Ökobilanz am Beispiel Förderanforderung Klimafreundlicher Neubau (BEG QNG)
Nach QNG-Randbedingungen werden Bauteile und Bauteilkonstruktionen der Kostengruppe 400 mit dem sogenannten Sockelbetrag pauschal erfasst, wie z.B. Rohrleitungen und Verteiler für Raumheizflächen der KG 420. Dies gilt für die Herstellungsphase A1-A3, den Austausch B4 und die Entsorgungsphase C3 und C4. Dem Sockelbetrag sind Datensätze für Großanlagentechnik, wie z.B. Wärmeerzeugungsanlagen, Lüftungsanlagen, Eigenversorgungsanlagen und Aufzugsanlagen gemäß den QNG-Datensätzen und angegebenen Austauschzyklen hinzuzufügen. In der nachfolgenden Tabelle sind die Sockelbeträge für Treibhausgasemissionen und Primärenergiebedarf nicht erneuerbar für die Anforderungsniveaus QNG-Plus und QNG-Premium dargestellt.
 

Auch wenn es im Rahmen der Ökobilanzierung nach QNG einen Sockelbetrag für die KG 400 gibt, müssen bei Ökobilanzierungen mit anderen Randbedingungen (z. B. für Zertifizierungsverfahren) die realen Mengen und Massen berücksichtigt werden. An den verstärkten Bemühungen der Hersteller bei der Erstellung von EPDs für ihre technischen Komponenten lässt sich erkennen, dass die Wahl ressourcenschonender technischer Komponenten zukünftig mehr in den Vordergrund rücken wird.

Nutzungsphase B1 – B7
Die Ökobilanzierung eines Gebäudes wird üblicherweise über einen Zeitraum von 50 Jahren betrachtet. Die anzusetzenden Bedarfe orientieren sich an den Endenergiebedarfen aus den bauphysikalischen Nachweisen nach GEG (Gebäudeenergiegesetz). Die Nutzungsphase hat erfahrungsgemäß einen Anteil von über 50 % an den Treibhausgasemissionen eines Gebäudelebenszyklus. Beispielhaft werden in den Abbildungen 5 und 6 die Ergebnisse einer Ökobilanzierung nach QNG-Randbedingungen für ein Schulgebäude als Massivbau und mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe dargestellt.

Je mehr erneuerbare Energien und Anlagen zur Eigenstromerzeugung bei der Gebäudeplanung vorgesehen werden, desto besser stellt sich die Ökobilanzierung dar bzw. desto geringer sind die emissionsbedingten Umweltauswirkungen des Gebäudes in der Nutzungsphase. Durch das gewählte Energiekonzept kann der ökologische Fußabdruck eines Gebäudes während seines gesamten Lebenszyklus maßgeblich beeinflusst werden. Weiterhin können die globalen Umweltwirkungen eines Gebäudes durch Lowtech-Konzepte (z. B. Nachtlüftung über Lüftungsklappen in Fensterfassaden) weiter reduziert werden. Durch den Verzicht auf bzw. die bewusste Reduzierung von technischen Komponenten und durch die Auswahl robuster langlebiger Gebäudetechnik sind während des Lebenszyklus eines Gebäudes keine bzw. weniger technische Komponenten auszutauschen. Da die TGA-Komponenten im Lebenszyklus eines Gebäudes nur mit 10 bis 25 Jahren Nutzungszeit betrachtet werden, ist gerade eine robuste Anlagentechnik mit längeren Lebenszyklen auszuwählen. Das spart nicht nur Geld (Invest, Reinvest und Wartung), sondern auch Ressourcen. 

Beeinflussung einer Ökobilanz am Beispiel Auswahl Kältemittel
Durch die Auswahl des Kältemittels kann ein positiver Einfluss auf die Ökobilanzierung genommen werden. Zum Beispiel sollen gemäß den QNG-Randbedingungen nur natürliche Kältemittel gemäß AMEV Kälte 2017 Tab. 4 (z.B. R290 – Propan und R717 – Ammoniak) sowie als zukunftssicher bis 2030 eingestufte Kältemittel gemäß AMEV Kälte 2017 Tab. 3 (z.B. R1234ze und R454A) eingesetzt werden. Diese Anforderung gilt für RLT-Anlagen wie auch für Kälteanlagen und Wärmepumpen. Durch diese Anforderung sollen die zusätzlichen globalen Umweltwirkungen durch nicht natürliche Kältemittel vermieden werden. Der GWP-Faktor von nicht zukunftssicheren Kältemitteln liegt z.B. für das Kältemittel R410A bei 2088 kg CO2-Äquivalent pro kg Kältemittel, wobei der GWP-Faktor für ein zukunftssicheres Kältemittel für z.B. R290 bei 4 kg CO2-Äquivalent pro kg Kältemittel liegt. Damit ist in diesem Fall das nicht zukunftsfähige Kältemittel um das 522-fache klimaschädlicher als das zukunftssichere Kältemittel. 

Üblicherweise gehen die GWP-Faktoren der Kältemittel nicht mit in die Ökobilanzierung ein, da die Vermeidung von zusätzlichen globalen Umweltwirkungen durch Kältemittel bereits mit den oben genannten Anforderungen sichergestellt ist. Bei Gebäuden mit Kältemitteln, die die vorgenannten Randbedingungen nicht einhalten, müssen die Wirkungen von Kältemitteln auf die globale Umwelt im Betrachtungszeitraum für das Modul B1 erfasst und als Treibhauspotenzial bewertet werden. Die Berechnungsergebnisse werden auf die LCA-Ergebnisse aufsummiert. Dabei sind auch Leckageraten, Entsorgungsraten und Austauschzyklen gemäß den QNG-Randbedingungen zu berücksichtigen. Mit diesem Verfahren wird sichergestellt, dass die globalen Umweltwirkungen durch nicht natürliche Kältemittel in der Ökobilanzierung nach QNG berücksichtigt werden. Durch die Wahl des „richtigen“ – (zukunftsfähigen) Kältemittels kann über die TGA-Planung großer Einfluss auf die Ökobilanzierung und die globale Umweltwirkung genommen werden. 

Fazit
Die TGA-Planung hat einen großen Einfluss auf die globalen Umweltwirkungen eines Gebäudes. Die in diesem Fachartikel dargestellten Einflussmöglichkeiten ergeben sich durch die gewählten TGA-Materialien in der Herstellungsphase eines Gebäudes, das gewählte Energiekonzept mit Betrachtung der notwendigen Anzahl und Robustheit der TGA-Komponenten in der Nutzungsphase, die Rückführbarkeit der Materialien in den Stoffkreislauf sowie die Auswahl von umweltverträglichen Kältemitteln. 

Wie nachhaltig ein Gebäude später sein wird, entscheidet sich nicht in der Leistungsphase 3 (Entwurf) mit dem Nachweis des Gebäudeentwurfs. Nachhaltige Planung beginnt in der LP0 mit der Definition und Erstvalidierung der Zielsetzung für die Gebäudenutzung. Sie erfordert einen interdisziplinären Planungsansatz aller Fachplaner von Beginn der Leistungsphase 2 (Vorentwurf) an.

Nur so kann die zukünftige Aufgabe aller am Planungsprozess Beteiligten, nämlich die Reduzierung von globalen Umweltwirkungen, die Berücksichtigung einer Weiterverwertung von Baustoffen und Baumaterialien auf gleicher Ebene nach dem Ende des Lebenszyklus eines Gebäudes und die Vermeidung von Bauabfällen, umgesetzt werden. Das ressourcenschonende Bauen und damit die Reduzierung von globalen Umweltwirkungen gehört zu den wichtigsten Zielen und Herausforderungen der nächsten Jahre in der Baubranche.

Die KEMPEN KRAUSE INGENIEURE mit ihren mehr als 340 Mitarbeiter:innen erbringen für anspruchsvolle Bauprojekte Planungs-, Steuerungs- und Überwachungsleistungen in nahezu allen Fachdisziplinen des Bauwesens. Ressourcenschonendes Planen gehört dabei schon immer zu unserer Planer-DNA. Daher sind unsere Ingenieur:innen für die Themen der Stunde – Nachhaltigkeit, Holz- und Holzhybridbau, rezyklierbare Baustoffe, Cradle-to-Cradle und Lowtech-Projekte – bestens gerüstet. Natürlich mit modernsten BIM-basierten Planungstools. Daher realisieren unsere Planer:innen insbesondere der Tragwerksplanung, des Brandschutzes und der Bauphysik viele Projekte an durchgängigen 3D-Modellen (Building Information Modeling – BIM) und optimieren so die Planung, die Bauabwicklung und die Nutzung der Bauwerke, sowohl im Hoch- als auch Ingenieurbau. Mobile 3D-Scanner und Drohnen zur Bestandserfassung, intelligente Planungstools, gezieltes Wissensmanagement und lebenslange Fortbildungsbereitschaft zeichnen unser Selbstverständnis als Dienstleister aus.

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