Grundlage für alle weiteren Schritte der Effizienzsteigerung ist die Kenntnis über die aktuelle Situation des Verbrauchs an Energieträgern. Damit ist nicht nur der jetzige Verbrauch gemeint, sondern auch der Verlauf über die letzten Jahre. Deswegen sollte ein Messkonzept umgesetzt sein und muss eine Energie- und Treibhausgasemissionsbuchhaltung geführt werden.

Pro Gebäude, Mieteinheit und / oder Produktionseinheit sollten mindestens folgende Daten über mindestens 3, besser 5 bis 10 Jahre aufgezeichnet und in gut lesbarer oder verständlicher Form vorhanden sein. Die Verbrauchsdaten sollten mind. monatlich erfasst oder auf Monatswerte aufsummiert sein und grafisch dargestellt werden:

  • Wärmeverbrauch Heizung (korrigiert nach Witterung)
  • Wärmeverbrauch Warmwasser (ggf. korrigiert nach Belegung, Auslastung)
  • Prozesswärmeverbrauch (ggf. korrigiert nach Produktionsvolumina)
  • Brennstoff- resp. Stromverbrauch für die Wärmeerzeugung inkl. Art des Brennstoffs
  • Heizgradtage oder «Akkumulierte Temperaturdifferenzen» (ATD)
  • Wasserverbrauch total
  • Wenn möglich Wasserverbrauch für Warmwasser
  • Stromverbrauch, unterteilt nach Hoch- und Niedertarif, pro Gebäude
  • Stromverbrauch für Prozesse, Grossverbraucher oder pro Zone
  • Auslastung, Anzahl Produktionseinheiten, Umsatz, Belegung usw.
  • Art des eingekauften Stromprodukts

Zusätzlich müssen alle baulichen Veränderungen und energierelevanten Anpassungen der Einrichtungen und Produktionsprozesse erfasst und registriert werden. Auch Änderungen an Regelgeräten oder der Anlagensteuerung müssen protokolliert werden. Genauso wichtig ist es, Änderungen in der Betriebsweise (neue Betriebsprozesse) oder neue Personen/Firmen, die für die Betriebsführung verantwortlich sind, zu erfassen und zu registrieren.

Je nach Betriebsgrösse und Energiekosten ist es nötig, mehr und detailliertere Verbrauchsdaten zu kennen. Es sollten klare Kriterien erarbeitet werden, ab wann es sich lohnt, eine detaillierte Erfassung und Messung eines Energieverbrauchers einzuführen.

In den weiteren Abschnitten werden verschiedene Kennzahlen und Darstellungsweisen vorgestellt. Diese müssen ermittelt resp. berechnet werden, um Vergleiche zu ermöglichen.

In jedem Fall ist es für die Schwachstellenanalyse sowie für das Erarbeiten von Massnahmen umso besser, je detaillierter und transparenter der Energieverbrauch, aber auch die ihn beeinflussenden Grössen bekannt sind. Beispielsweise ist eine einzige Messung des Stromverbrauches eines ganzen Gebäudekomplexes bei der Einspeisung ungeeignet, um irgendwelche Schlüsse bezüglich Sparpotenzial zu ziehen. Bestenfalls kann abgeleitet werden, dass Sparpotenziale vorhanden sind, aber nicht, wo und wie sie ausgeschöpft werden sollen.

Die Daten sollen soweit möglich bereinigt werden, das heisst, bekannte Einflussgrössen auf den Energieverbrauch wie die Witterung (Heizgradtage oder ATD), Auslastung usw. werden rechnerisch ausgeglichen. So werden anderweitig verursachte, nicht erklärbare Abweichungen besser sichtbar.

Darstellung mit Energieflussdiagramm

Für die Erfassung des Energieverbrauches ist ein Energieflussdiagramm eine Möglichkeit, den Energiefluss im Unternehmen grafisch darzustellen (siehe z.B. SIA 380/1).

Ein solches Energieflussdiagramm (gezeichnet als Sankey-Diagramm, Abb. 94) muss der Planer oder ein Energiefachmann berechnen und darstellen. Das Diagramm zeigt grafisch auf, wie die Energieversorgung erfolgt, wo wie viel Energie verwendet wird und wo Verluste entstehen. Es basiert auf der Energiebilanz, das heisst, auf der einen Seite werden die zufliessenden Energieströme gezeichnet, auf der anderen die wegfliessenden Energieströme. Die Summe aller zu- und wegfliessenden Energieströme muss gemäss erstem Hauptsatz der Thermodynamik null sein.

Abb. 94: Energieflussdiagramm für ein Gebäude mit Kühlung, angelehnt an Norm SIA 380/1 (2007)
Merkblatt Energiekonzept, Stadt Zürich 2011

Energieflussdiagramme können für nur eine Komponente, z. B. für eine Wärmepumpe, für ein Gebäude oder für ganze Betriebe, ja für ganze Länder gezeichnet werden.

Da die einzelnen Flusspfeile massstäblich korrekt gezeichnet werden müssen (entsprechend dem Energiewert), ist das Erstellen eines Energieflussdiagramms manuell nicht ganz einfach. Besser ist es, eine geeignete Software zu verwenden. Dann wird die Aussagekraft eines solchen Diagramms gross und es ist einfach zu interpretieren.

Erfassen des Energieverbrauchs/Messungen

Der Energie-, aber auch der Medienverbrauch können am sichersten mit Messungen erfasst werden. Bei der Energielieferung wird die Menge immer gemessen, damit sie verrechnet werden kann (Verrechnungsmessung). Weitere Zähler sind oft nicht vorhanden, aber notwendig. Diese werden Privatzähler genannt. Bei der teilweise obligatorischen verbrauchsabhängigen Heizkostenabrechnung müssen geeichte Zähler eingebaut werden. Ansonsten können beliebige Zähler eingebaut werden. Privatzähler, welche «nur» der internen Energiebuchhaltung dienen, können deshalb einfach und günstig sein.

Der Wärmeverbrauch für Warmwasser kann auch mit einer Wasserzählung erfolgen, wenn die Warmwassertemperatur konstant ist (z. B. 60 °C). Der Wärmeverbrauch kann dann genügend genau berechnet werden.

Wichtig ist hier ein pragmatisches Vorgehen, um mit möglichst wenig Aufwand eine möglichst aussagekräftige und vollständige Kenntnis über die Aufteilung des Energieverbrauches zu erhalten. Eine möglichst hohe Genauigkeit der Messungen anzustreben lohnt sich für die Ziele energetische Betriebsoptimierung und interne Energieverrechnung aber nicht.

Gewichteter Energieverbrauch

Da die Bereitstellung von Endenergie (resp. der Energieträger, wie sie typischerweise eingekauft werden) unterschiedlich viel Primärenergie bedarf und unterschiedlich hohe Emissionen an Treibhausgasen verursacht, kann der Verbrauch an Endenergie gewichtet werden. Der Gewichtungsfaktor muss aus wissenschaftlicher Sicht an die Art der Umwandlung resp. Aufbereitung der Primärenergie und an deren Transportprozesse angepasst sein. Diese nach wissenschaftlichen Kriterien bestmöglich bestimmten Gewichtungsfaktoren werden Primärenergiefaktoren (fP) genannt. Die Primärenergiefaktoren werden weiter nach den Bedarf an nicht erneuerbarer und erneuerbarer Primärenergie unterteilt.

Um die Emissionen an Treibhausgasen («Greenhaus Gases GHG») zu bewerten, werden weiter Treibhausgasemissions-Koeffizienten (kGHG) berechnet. Diese betrachten alle Treibhausgase, welche bei der Bereitstellung von Endenergie (oder auch bis zur Nutzenergie) emittiert werden. Die Emissionen an anderen Treibhausgasen als CO2 werden in CO2-Äquivalente umgerechnet, damit sie addierbar resp. vergleichbar werden. Angegeben werden die Treibhausgasemissionen deshalb als sogenannte CO2-Äquivalente (CO2eq) und in der Masseneinheit Kilogramm oder Tonne.

Diese Faktoren sind also vom Energieträger und dabei auch von der Art der Produktion abhängig. Insbesondere beim Strom hängen sie sehr stark von der Art und Weise der Stromproduktion ab. Da die Kraftwerke laufend erneuert werden und in letzter Zeit immer mehr erneuerbarer Strom produziert wird, müssen auch die Primärenergiefaktoren und Treibhausgasemissionskoeffizienten der auf dem Markt angebotenen Stromprodukte laufend angepasst werden.

Sowohl die Primärenergiefaktoren wie auch die Treibhausgasemissions-Koeffizienten werden in der Schweiz auf der Website der KBOB (Koordinationskonferenz der Bau- und Liegenschaftsorgane der öffentlichen Bauherren) veröffentlicht.30 Sie können auch für individuelle Fälle mit einem Rechner der Firma Treeze Ltd. berechnet werden, welche diese auf ihrer Website zur Verfügung stellt.31

Mit aktuellen und für die verwendete Endenergie zutreffenden Primärenergiefaktoren und den entsprechenden Treibhausgasemissions-Koeffizienten kann der Verbrauch von Energieträgern also nach diesen Aspekten und wissenschaftlich korrekt bewertet werden.

Da diese Art der Bewertung resp. Gewichtung aber eher kompliziert ist und stark vom Einzelfall abhängig ist und weil es früher diese Faktoren so noch nicht gab, wurden schon vor langer Zeit sogenannte nationale Gewichtungsfaktoren bestimmt (Tab. 10). Diese von der nationalen Energiepolitik festgesetzten Bewertungsfaktoren werden auf der Website der Energiedirektorenkonferenz veröffentlicht.32 Sie werden auch von Minergie und im Gebäudeenergieausweis der Kantone (GEAK) für die Gewichtung des Endenergieverbrauchs genutzt.

Tab. 10: Nationale Gewichtungsfaktoren Energie ab 2017

Darstellung Bezug Endenergie und Verbrauch Nutzenergie

Der gesamte Endenergiebedarf einer Unternehmung (z. B. eines kleinen Produktionsbetriebs) kann auch wie in den Tab. 11 bis 13 dargestellt und berechnet werden. Es erfolgt eine Aufstellung des bezogenen Endenergiebedarfs (System Energieinput), mit Umrechnung auf Nutzenergie. Als Nächstes kann die Endenergie gewichtet werden, wobei es hier zwei unterschiedliche Systeme gibt. Die sogenannten nationalen Gewichtungsfaktoren mögen für einfache Vergleiche akzeptabel sein. Für eher korrekte Vergleiche und bei komplexeren Fällen sollten aber die Werte der KBOB berücksichtigt werden.

Für den Energieinput (den Bezug an Endenergie in Form von Energieträgern) und die Umwandlung in Nutzenergie (d. h. Wärme, Kälte, ggf. Strom) kann eine Aufstellung wie in Tab. 11 gemacht werden. Die Nutzenergie entspricht dann dem Energiebedarf der Unternehmung oder des Gebäudes.

Tab. 11: Darstellung Energieinput und Verbrauch Nutzenergie eines Beispiel-Produktionsbetriebes

Der Energiebezug dieses Beispielbetriebs aus Tabelle p kann dann auch gewichtet und bewertet werden. Die Umrechnung erfolgt mit Vorteil mit den Faktoren für Primärenergie, Treibhausgasemissionen und Umweltbelastungspunkten, wie sie von der KBOB veröffentlicht werden (Ökobilanzdaten im Baubereich, Stand 201633 oder neuer) (Tab. 12). Zum Vergleich mit Anforderungen schweizerischer Standards und Labels (z. B. Minergie) können auch die nationalen Gewichtungsfaktoren angewendet werden.

Tab. 12: Gewichteter und bewerteter Endenergiebedarf des Beispiel-Produktionsbetriebs

Wie aus Tab. 11 und Tab. 12 zu sehen ist, müssen gewisse Zuordnungen gemacht werden. So wird hier davon ausgegangen, dass allfällige negative Auswirkungen der Abwärmelieferung an den benachbarten Kindergarten diesem Bezüger angelastet werden. Beim Abwärmelieferanten sind die Faktoren deswegen auf null gesetzt.

Zuletzt kann noch eine Aufstellung gemacht werden, wofür im Betrieb die Nutzenergie verwendet wird (Tab. 13). Damit können Verbrauchsschwerpunkte ausfindig gemacht werden, wo sich die Analyse bezüglich Schwachstellen besonders lohnen könnte.

Tab. 13: Aufstellung des Nutzenergieverbrauchs des Beispiel-Produktionsbetriebs

Kennzahlenbildung

Der erfasste Energieverbrauch muss in Kennzahlen umgerechnet werden, damit er vergleichbar mit Referenzwerten wird. Während früher für Energiekennzahlen auch die Einheit Joule (J) oder Megajoule (MJ) verwendet wurde, wird inzwischen fast immer die Einheit Kilowattstunden (kWh) verwendet.

Um Kennzahlen zu bilden, wird der Energiebedarf von Gebäuden in der Regel auf die Energiebezugsfläche gemäss Norm SIA 380 (Ausgabe 2003) bezogen.

Energiebezugsfläche Ae (auch EBF abgekürzt)
Die Energiebezugsfläche ist die Summe aller ober- und unterirdischen Geschossflächen, die innerhalb der thermischen Gebäudehülle liegen und für deren Nutzung ein Konditionieren (Beheizen oder Klimatisieren) notwendig ist

Geschossflächen mit einer lichten Raumhöhe kleiner als 1,0 m zählen nicht zur Energiebezugsfläche. Die Energiebezugsfläche wird brutto gerechnet, das heisst inkl. aller Aussen- und Innenwände und Schächte, Stützen etc. (der Konstruktionsfläche). Vereinfacht kann als Energiebezugsfläche die (Brutto-)Geschossfläche innerhalb des Wärmedämmperimeters berechnet werden.

Die Flächen sind dabei nach Norm SIA 416 (Ausgabe 2003) definiert:

Geschossfläche AGF (auch GF abgekürzt)
Die Geschossfläche GF ist die allseitig umschlossene und überdeckte Grundrissfläche der zugänglichen Geschosse einschliesslich der Konstruktionsflächen.

Die Geschossfläche setzt sich zusammen aus der Nettogeschossfläche und der Konstruktionsfläche, d. h., sie wird brutto gerechnet.

Nettogeschossfläche ANGF (auch NGF abgekürzt)
Die Nettogeschossfläche NGF ist der Teil der Geschossfläche GF zwischen den umschliessenden oder innenliegenden Konstruktionsbauteilen. Ist nur die beheizte Nettogeschossfläche (z. B. die Mietfläche) bekannt, kann die (Brutto-)Geschossfläche vereinfacht abgeschätzt werden: Geschossfläche = Nettogeschossfläche mal 1,1 bis 1,2. Bei grossen Gebäuden ist etwa 10 % Zuschlag, bei kleinen oder sehr alten Gebäuden bis 20 % Zuschlag zu rechnen.

Aufteilen und Darstellen des Verbrauchs an Wärme nach SIA 380/1

Die Berechnung des Heizwärmeverbrauches von Gebäuden wird in der SIA 380/1 «Heizwärmebedarf» (Ausgabe 2016) geregelt. Die SIA 380/1 gibt Energiekennzahlen auf die Energiebezugsfläche bezogen an. Für die Berechnung werden Monatswerte verwendet. Die SIA 380/1 behandelt den Prozessenergiebedarf (z. B. Wärmebedarf für Brotbackofen oder Sterilisation) nicht.

Es wird nach Heizwärmebedarf (QH) und Warmwasserbedarf (QW) unterteilt. Energiekennzahlen werden je auf ein Jahr bezogen.

Heizwärmebedarf QH = Wärmebedarf des Gebäudes zur Deckung der Wärmeverluste (Lüftungs- und Transmissionsverluste) vermindert um die nutzbaren internen und externen Wärmegewinne

Der gesamte Wärmebedarf QHW ist die Summe von QH und QW.

Wärmebedarf für Warmwasser QW = Wärmebedarf für Brauchwarmwasser an der Zapfstelle

Dieser Wärmebedarf wird um die Verluste der Wärmeerzeugung und -verteilung Qls vergrössert und um die aktiv genutzten Wärmegewinne aus der Umgebung Qr (mit einer Wärmepumpe oder aktive Solarenergie) verringert. Es folgt so der Endenergiebedarf für Heizung und Warmwasser EF,HW. Je nachdem muss dieser nach unterschiedlichen Energieträgern unterteilt werden, falls mehrere Endenergiearten genutzt werden.

Alle diese Kennzahlen werden auf ein Jahr bezogen.

Dargestellt werden können diese und weitere Werte wieder mit einem Energieflussdiagramm nach Vorlage in der SIA 380/1 (Abb. 95). Im Diagramm ist das Heizsystem mit der ausgezogenen Systemgrenze 1 gekennzeichnet, das Warmwassersystem mit gestrichelter Systemgrenze 2, die Wärmeerzeugung mit Systemgrenze 3 und das ganze Gebäude mit Systemgrenze 4. Für die Energiebuchhaltung sollten EF,HW, QH, QW, eventuell Qr gemessen werden.

Abb. 95: Detaillierte Darstellung der Energiebilanz eines nicht klimatisierten Gebäudes
Merkblatt Energiekonzept, Stadt Zürich 2011 (Quelle SIA 380/1)

Aufteilen und Darstellen des Verbrauchs elektrischer Energie

Der Stromverbrauch in einem Gebäude ist von wesentlich mehr Faktoren abhängig als der Wärmeverbrauch. Deshalb ist es schwieriger, vergleichbare Kennzahlen anzugeben.

Um nutzbare Vergleichswerte für den Stromverbrauch zu gewinnen, muss der Stromverbrauch der verschiedenen Verbraucherarten unterteilt erfasst und dargestellt werden.

Der gesamte Strombezug eines Gebäudes sagt zwar aus, wie viel Strom das ganze Gebäude insgesamt bezieht. Dies lässt eine erste Beurteilung zu, insbesondere wenn die Entwicklung über die vergangenen Jahre betrachtet wird. Eine Kennzahl kann ebenfalls auf die Energiebezugsfläche Ae bezogen werden. Jedoch ist es kaum möglich, mit nur dieser Zahl eine Aussage über die Effizienz der Stromverwendung zu machen oder mit anderen Gebäuden zu vergleichen. Dazu muss der Stromverbrauch auf die verschiedenen Verwendungszwecke und auch auf unterschiedliche Nutzungszonen aufgeteilt werden. Die Verwendungszwecke sind nach Betriebseinrichtungen (was der Gebäudenutzer resp. Mieter installiert) und nach Gebäudetechnik (was mit dem Gebäude fest verbunden ist) zu unterscheiden.

Die in der nicht mehr gültigen Norm SIA 380/4 entworfene Aufteilung ist immer noch sinnvoll:

  • Betriebseinrichtungen: Alles, was in die Steckdosen eingesteckt wird: PC, Drucker, Kaffeemaschinen, Kopiergeräte, Staubsauger, Geräte etc. und alles, was vom Gebäudenutzer fest installiert wird: Kopierzentrale, Kücheneinrichtungen, gewerbliche Kälte, Verpflegungsautomaten, Waschmaschinen, Rechenzentrum etc.
  • Beleuchtung: Fest installierte Beleuchtungen, Stehleuchten, Tischleuchten, Dekorationsbeleuchtung, Aussenbeleuchtung, Not- und Fluchtwegbeleuchtung etc.
  • Lüftung/Klima: Lüftungsanlagen, Klimaanlagen, Klimakälte, Hilfsenergie Lüftung/Klima/Kälte
  • Diverse Gebäudetechnik: Transportanlagen (Lifte, Rolltreppen etc.), Verluste Elektroverteilung, Torantriebe, Schmutzwasserpumpen, Hilfsenergie Heizung etc.
  • Wärme: Direktelektrische Wärmeerzeugung und direktelektrische Wassererwärmung (sofern noch zulässig, meist dezentral)

Unter Wärme wird die elektrisch erzeugte Wärme für Heizung und Warmwasser (direkte Widerstandsheizung) separat aufgeführt, weil dieser Verbrauch messtechnisch oft nicht separat erfasst werden kann. Zentral erzeugte Wärme mit Wärmepumpen und deren Stromverbrauch fallen unter Wärmeverbrauch und sind separat messbar.

Für die Darstellung des Stromverbrauches in einem Gebäude kann eine Matrix verwendet werden, eher als ein Energieflussdiagramm. Neben der Unterteilung in Verwendungszwecke wird die Gebäudefläche in verschiedene Nutzungszonen unterteilt. Daraus ergibt sich eine Matrix wie im Beispiel Tab. 14 gezeigt. Aus dieser Aufstellung ist ersichtlich, wo und wofür wie viel Strom pro Jahr verbraucht wird. Dies hilft, Stromsparpotenziale zu finden, aber auch eine Kostenzuteilung zu ermöglichen.

Tab. 14: Matrix einer Elektrizitätsbilanz eines Bürogebäudes (beispielhaft)

Die Darstellung einer solchen Elektrizitätsbilanz mag aufwendig erscheinen. Die einzelnen Werte sind oft nicht bekannt und können auch nicht direkt gemessen werden. Dennoch ist es mit vernünftigem Aufwand möglich, eine solche Bilanz zu erstellen, wenn pragmatisch vorgegangen wird und nicht jede Zahl auf zwei Kommastellen genau gesucht wird.

Neben Messungen kann es auch andere Möglichkeiten geben, den Verbrauch pro Verwendungszweck und pro Nutzungszone näherungsweise zu erfassen. Bei Bezügern mit konstanter Leistung reicht eine Bestimmung der Betriebszeit, sei es mit einer Berechnung aufgrund der Einstellwerte der Steuerung, sei es mit einem Betriebsstundenzähler. Eine weitere Möglichkeit ist das Zählen von Verbrauchern, z. B. Beleuchtungskörper, und die Abschätzung der Betriebszeit. Diese könnte auch statistisch ermittelt werden, indem zu verschiedenen Zeiten die Anzahl der eingeschalteten Verbraucher erfasst wird und eine Hochrechnung gemacht wird. Schwieriger ist es, wenn diese Verbraucher eine variable Leistung haben (z. B. Kopiergeräte, geregelte Pumpen). Dann muss eine Messung erfolgen. Diese kann auch nur temporär, während einer gewissen repräsentativen Zeit erfolgen und anschliessend kann eine Hochrechnung gemacht werden. Für gesteckte Geräte gibt es mobile Messgeräte, welche einfach zwischen Steckdose und Gerätestecker gesteckt werden können.

Anpassen an den Gesamtverbrauch

Der pro Energieträger auf unterschiedliche Art ermittelte Energieverbrauch aller einzelnen Verbraucher wird am Schluss aufsummiert und mit dem totalen gemessenen Verbrauch dieses Energieträgers verglichen. Nun kann der Energieverbrauch der geschätzten oder ungenau ermittelten Verbraucher angepasst werden, damit schlussendlich die Summe der Einzelverbraucher und des gemessenen totalen Verbrauches übereinstimmen.

Vergleich mit Referenzwerten:

In der Tab. 15 werden für Gebäude die spezifischen Verbräuche (auf die Energiebezugsfläche bezogen) aufgezeigt. Diese spezifischen Werte und die Teilenergiekennzahlen (unterste Zeile) können mit gleichartigen Zonen und Verwendungszwecken in anderen Gebäuden des gleichen Gebäudetyps verglichen werden.

Tab. 15: Matrix der spezifischen Elektrizitätsverbräuche eines Bürogebäudes (beispielhaft)

Die Zahlen aus dem genannten Beispiel hängen stark von der Art der Raumnutzung und der Betriebszeit ab. Deswegen existieren (leider) keine publizierten Vergleichswerte. Für internes oder externes Benchmarking können solche spezifischen Werte jedoch genutzt werden.