Energetische Gebäudemodernisierung durch kombiniertes

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Energetische Gebäudemodernisierung durch kombiniertes
Energetische Gebäudemodernisierung
durch kombiniertes
Fassaden- und Klima- Engineering
Architektur und Glas 2008, Hunsrücker Glasveredelung Wagener, 07. Mai 2008
Dipl.-Ing. Thiemo Ebbert
TU Delft, Faculty of Architecture, Chair Design of Construction, Delft, Niederlande
[email protected]
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Rudolf Evers
EVERS Ingenieurgesellschaft, Dreieich
[email protected]
Moderne Fassaden sind nicht nur der klimatische Abschluss des Gebäudes. Die aktuelle
Entwicklung in der Fassadentechnik geht in Richtung einer ganzheitlichen Betrachtung des
Gebäudes. Dabei übernimmt die Fassade neben den Funktionen des Schall-, Regen- und
Wärmeschutzes auch Aufgaben der technischen Gebäudeausstattung. Insbesondere bei der
Sanierung von Bürobauten ist eine umfassende, integrale Betrachtung der Bauaufgabe wichtig.
Auf der „Architektur und Glas 2008“ präsentieren wir unsere Herangehensweise an das Thema
Fassadensanierung und ein im Bau befindliches Beispiel.
Inhalt:
1. Veränderte Rahmenbedingungen für Bürogebäude
2. Struktur des Sanierungsmarktes in Deutschland
3. Integrale Planung von Fassade, Gebäudetechnik und Lebenszykluskosten
4. Sparkasse Vorderpfalz: Ein Beispiel
5. Zusammenfassung und Ausblick
6. Quellenverzeichnis
1. Veränderte Rahmenbedingungen für Bürogebäude
Vor etwa 10 – 15 Jahren sprach aufgrund der relativ geringen Energiekosten und der hohen
Liquidität der Investmentfonds und der Immobilienbesitzer viel dafür, die bestehenden
Bürogebäude entweder gar nicht zu sanieren oder abzureißen.
Heute hat sich die Situation deutlich gewandelt. Rund 75 % der Endenergie wird in
Bürogebäuden für die Bereitstellung von Raumwärme und Kühlung aufgewendet (Schlomann
and Gruber 2004). Der Energieverbrauch selbst und damit die laufenden Kosten der Gebäude,
die älter als 20-30 Jahre alt sind, liegen dabei weit oberhalb des aktuellen Standards. Stetig
steigende Energiekosten verstärken die Problematik zusätzlich und treiben die „Zweite Miete“ in
die Höhe.
Kapitalanleger sind aufgrund der aktuellen Probleme im Immobilienmarkt kritischer geworden.
Der Begriff „Ressourcenschonung durch Substanzerhaltung“ gewinnt damit zunehmend an
Bedeutung. Der Modernisierungsmarkt ist durch diese veränderten Rahmenbedingungen zu
einem der wichtigsten Märkte in Deutschland geworden.
2. Struktur des Sanierungsmarktes in Deutschland
Die Forschungsarbeit „Strategien für die Sanierung von Bürofassaden“, die derzeit an der TU
Delft erstellt wird, befasst sich mit den Möglichkeiten, bestehende Bürogebäude durch
intelligente Sanierung einer neuen bzw. verlängerten Nutzung zuzuführen. Im Rahmen der
Arbeit werden die gängigsten Bautypologien auf ihre Probleme und ihr Potenzial hin untersucht.
Basis der Untersuchung ist dabei eine Bestandsaufnahme derjenigen Bürogebäude in
Deutschland, den Niederlanden und im Vereinigten Königreich, die grundsätzlich für eine
Sanierung in Frage kommen. Einige Ergebnisse der Marktbewertung für Deutschland werden im
Folgenden präsentiert.
2.1. Bestandsvolumen
Der Großteil der Bausubstanz an Büroimmobilien stammt aus den 1950er bis 1980er Jahren.
Eine Studie des IFO-Instituts hat ermittelt, dass zwischen 60 % und 70 % der Nutzfläche von
Nicht-Wohngebäuden in Europa vor 1978 erstellt wurden. Allein in Deutschland entspricht dies
einem Volumen von ca. 1,9 Mrd. Quadratmetern. Für die Zukunft wird auf dem deutschen Markt
eine starke Zunahme der Renovierungstätigkeit erwartet, während der Markt für Neubau sinkt
(Russig 1999).
Anteil der Nichtwohngebäude, erstellt vor
1978
67
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60
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100
80
60
40
20
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Abb. 1: Anteil an Nicht-Wohngebäuden älter als 1978 am
gesamten Gebäudebestand jedes Landes (Hoffmann 2006)
Abb. 2: Entwicklung der Bautätigkeit in Deutschland
(Russig 1999)
2.2. Nachfragesituation
Ein weiterer wichtiger Aspekt des Marktes liegt in der Nachfrage nach Büroimmobilien.
Nachdem in Deutschland bis zum Jahr 2006 ein Rückgang der Nachfrage an Büroraum
festzustellen war, scheint sich dieser Trend derzeit umzukehren. Allerdings bezieht sich die
Nachfrage vor allen Dingen auf sehr gut ausgestattete Gebäude in besten Lagen, so genannte
„Grade A“ Immobilien. Liegenschaften, die diese Anforderungen nicht erfüllen, können nur sehr
schlecht am Markt platziert werden (ING-Real-Estate 2008). In Deutschland ist das Angebot an
verfügbaren „Grade A“ Immobilien begrenzt, unter anderem, weil die guten Lagen mit
Altbauten belegt sind, deren Zustand und Ausstattung nicht den Anforderungen genügen.
2.3. Bau- und Fassadentypen der sanierungsfähigen Bürogebäude in Deutschland
Genau an diesem Punkt setzt die Forschungsarbeit an. Um einen Einblick in die Verteilung der
eigentlichen Bautypologien zu gewinnen wurden Gebäude untersucht, die grundsätzlich das
Entwicklungspotenzial für eine zukünftige Nutzung mitbringen. Die wichtigsten Kriterien für die
Marktfähigkeit von Büros – nach der Sanierung – sind:
•
•
•
•
Sehr gute Lage
Adäquate Geschosshöhe
Flexibilität des Grundrisses
Eigentümer-Nutzer
Alle hier dargestellten Ergebnisse beruhen auf einer stichprobenhaften Analyse von ca. 200
Liegenschaften mit insgesamt ca. 1,7 Mio. m² BGF in Premiumlagen verschiedener deutscher
Städte. Die Ergebnisse stellen somit keine absoluten Zahlen dar, zeigen aber eine Tendenz der
gängigsten Bau- und Fassadenkonstruktionen der Bürobauten, die für Sanierung in Frage
kommen.
Die besten Innenstadtlagen wurden in den 1950er und 1960er Jahren entwickelt. Dabei wurden
häufig Material sparende Stahl- und Betonskelettbauten erstellt. In den späten 1970er Jahren
und in den frühen 1980ern wurden die Gebäude aus den 50ern teilweise ersetzt oder saniert.
So lässt sich feststellen, dass insbesondere in den stark nachgefragten Innenstadtlagen der
weitaus größte Teil des Baubestands älter ist als 25 Jahre.
Die häufigste Bauform der analysierten Bürobauten in guten Lagen ist eine Last abtragende
Fassade. Diese kann entweder als Massivbau mit Fenstern oder als ausgefachtes tragendes
Skelett ausgeführt sein. Bis zum Ende der 1970er Jahre wurden Gebäudefassaden in der Regel
nicht mit einer zusätzlichen Dämmung versehen. Dies änderte sich mit der Ölkrise und der
Einführung der Wärmeschutzverordnung. Ab diesem Zeitpunkt wurden sehr viele Bürobauten
mit einer außen liegenden Wärmedämmung und einer hinterlüfteten Bekleidung ausgestattet.
Von den im Rahmen der Studie betrachteten sanierungsfähigen Gebäuden machen tragende
Fassaden (mit und ohne zusätzliche Dämmung) über 60 % des Bestandes aus.
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600.000
500.000
400.000
300.000
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m² BGF .
Sanierungsfähige Gebäude in vier deutschen Städten nach
Fassadentypen
Kummuliert; Baujahr 1950 bis 1985 [m² BGF]
Abb. 3: Fassadentypen sanierungsfähiger Gebäude in vier deutschen Städten, kumuliert 1950 - 1985
Vor allem bei großvolumigen Bauten finden sich Vorhangfassaden, und bei diesen besonders
häufig Pfosten-Riegel-Fassaden (ca. 20 %). Andere Formen der Vorhangfassaden, wie
elementierte Konstruktionen oder vorgehängte Brüstungen mit eingestellten Fenstern, waren in
den betrachteten Lagen selten anzutreffen. Der Rest des Bestandes verteilt sich auf diese
verschiedenen Formen der vorgehängten Fertigteilfassaden und Fassaden mit außen liegendem
Tragwerk.
Eine Besonderheit des deutschen Marktes stellen Fassaden mit Wartungsbalkonen dar. In den
1960ern, 1970ern und frühen 1980ern waren sie ein häufig verwendetes Mittel der
Fassadengestaltung und dienten dem Sonnenschutz sowie der Wartung und Reinigung der
Fassade. Bei den betrachteten Gebäuden in Deutschland machen diese Fassadentypen fast ein
Viertel des Bestandes aus. In den Niederlanden und in England dagegen sind diese
Konstruktionen fast gänzlich unbekannt. Die konstruktive Ausführung der Balkone erfolgte teils
mit durchgehenden Betonträgern, vor allem bei Fertigteil-Skelettbauten. Häufiger jedoch wurde
eine Stahlkonstruktion an der eigentlichen Fassade befestigt.
Gebäude mit Wartungsbalkon in den untersuchten Orten in
Deutschland [m² BGF]
700.000
Wartungsbalkon
600.000
Einfache Fassade
[m² BGF]
500.000
400.000
300.000
200.000
100.000
0
1950 1959
1960 1969
1970 1979
1980 1989
Abb. 4: Gebäude mit Wartungsbalkon an den ausgewählten Standorten in Deutschland
Basierend auf den Ergebnissen dieser Bestandsbewertung wurden für die Forschungsarbeit
entsprechende repräsentative Gebäude näher untersucht, um adäquate Sanierungsstrategien zu
entwickeln. Grundlage der Sanierungsplanung ist dabei die Betrachtung von Fassade,
Gebäudetechnik und Lebenszykluskosten.
3. Integrale Planung von Fassade, Gebäudetechnik und Lebenszykluskosten
Die Zusammenarbeit der TU Delft mit der EVERS Ingenieurgesellschaft und dem Büro Balck +
Partner Facility Management führte zu einer integralen Herangehensweise an die Planung,
welche langjährige Erfahrung mit einem wissenschaftlichem Ansatz verbindet.
Ziel einer jeden Architekturplanung ist es, die Wünsche und Erwartungen der Nutzer und
Eigentümer mit den technischen Möglichkeiten in Einklang zu bringen. Dabei ist die
Berücksichtung der Bausubstanz besonders wichtig. Häufig werden bei Sanierungen Gebäude
entkernt, was nicht nur einen großen baulichen Aufwand verursacht, sondern auch zu hohen
Kosten führt, bedingt durch den (temporären) Umzug von Mitarbeitern und damit verbundene
Produktivitätseinbußen. Wir nehmen bei der Sanierungsplanung auf diese Belange Rücksicht,
indem wir folgenden Punkten besondere Aufmerksamkeit widmen:
•
•
•
•
•
•
Erfassen der Nutzerwünsche
Aufnehmen der Eigentümerwünsche
Genaues Erfassen der baulichen Substanz
Bewertung der Wünsche und Randbedingungen für den heutigen Zeitpunkt und die
Zukunft
Optimale Berücksichtigung der Gebäudesubstanz
Niedrige Investitions- und Betriebskosten
Unsere Planungsprämissen sind selbstverständlich abhängig von der individuellen Situation. Die
oberste Priorität ist es jedoch, mit der Baumaßnahme folgende Ziele zu erreichen:
•
•
•
•
•
Kurze Bauzeit
Geringe Störung des Betriebsablaufes (Zeit, Lärm, Schmutz)
Weiterverwendung möglichst vieler Bauteile
Kombinierte Planung von Fassade und Gebäudetechnik
Erreichen möglichst günstiger Lebenszykluskosten
Der Planungsablauf und das Ergebnis werden anhand des folgenden Projektes erläutert, das
derzeit in Ludwigshafen/Rhein realisiert wird.
4. Sparkasse Vorderpfalz: Ein Beispiel
4.1. Ist-Zustand
Das Gebäude der Sparkasse Vorderpfalz in Ludwigshafen wurde 1972 erstellt. Es setzt sich
zusammen aus einem dreigeschossigen Sockelbau und einem 10-geschossigen Büroturm,
welcher in der aktuellen Bauphase realisiert wird. Bei der Tragstruktur handelt es sich um einen
Stahlskelettbau mit Ortbetondecken. Die Fassade besteht aus einem vorgehängten System mit
Stahlpfosten/Riegeln, aufgeflanschten Aluminiumblechen und Fensterelementen. Vor der
Fassade liegen Wartungsbalkone, die durch Stahlkonsolen geschossweise getragen werden. Das
Gebäude ist voll klimatisiert. Dazu befinden sich in den Brüstungsverkleidungen Klimageräte, die
Außenluft direkt ansaugen und dezentral heizen oder kühlen.
Abb. 5: Referenzgebäude Außenansicht
Abb. 6: Dezentrale Klima-Geräte
Die größten konstruktiven und technischen Probleme der Gebäudehülle sind dabei:
•
•
•
•
Wassereintritt durch die Fassade
Zugerscheinungen durch die vorhandenen Lüftungsöffnungen der Klimaeinheiten
Ungenügende Wärmedämmung
Energieverbrauch in Höhe von aktuell ca. 315 kWh/m²a, davon ca. 70 % für Heizung
und Kühlung
Das Gebäudeinnere wurde vor wenigen Jahren saniert und renoviert. Dies hat zur Folge, dass
bei der jetzt anstehenden Fassadensanierung der Innenausbau nicht betroffen werden soll und
die Nutzung weitest gehend ungestört während der Bauzeit weiter laufen soll.
4.2. Entwickeln von Sanierungsstrategien
Auf Basis der Analyse wurden von der Planungsgruppe drei verschiedene Varianten der
Sanierung des Turmgebäudes entwickelt. Prämissen waren dabei:
•
•
•
•
Die bauphysikalische Verbesserung der Fassade
Drastische Verminderung des Energieverbrauchs
Aufwertung der architektonischen Erscheinung des Gebäudes
Minimierung von Eingriffen in den Innenausbau.
Bei allen Vorschlägen wird die bestehende Klimatechnik durch moderne Geräte ersetzt. Diese
verfügen über Wärmetauscher und eine individuelle Steuerung, die es ermöglicht, jeden
Büroraum entsprechend der Nutzung und Wetterlage zu konditionieren.
Abb. 7: Variante 1 – Kastenfenster
Abb. 8: Variante 2 – Doppelfassade
Abb. 9: Variante 3 – Doppelfassade
mit Solarkamin
Die erste Variante sieht vor, die bestehende Fassade mit einer neuen Vorhangfassade mit
Kastenfenstern zu ersetzen. Dabei bleibt das Erscheinungsbild des Gebäudes originalgetreu
erhalten.
Bei Variante 2 bleibt die Bestandsfassade weitestgehend erhalten, um die Nutzer nicht zu
beeinträchtigen. Eine zweite Fassadenebene wird in der Lage der Außenkante der heutigen
Wartungsbalkone angebracht. Diese schützt die Bestandsfassade vor Witterung, bildet einen
Klimapuffer und Schutz für den Sonnenschutz. Haustechnische Installationen finden im
Fassadenzwischenraum Platz.
Die dritte Variante entspricht in großen Teilen der Variante 2, allerdings wird hier der gesamte
Turmbau mit einer gläsernen Klimahülle versehen. So entstehen in den Gebäudeecken
Solarkamine, die durch thermischen Auftrieb die mechanische Lüftung unterstützen.
Alle Varianten wurden im Verlauf der Planung einer thermodynamischen Simulation und
ökonomischen Bewertung unterzogen. Dabei stellte sich die Variante 2 eindeutig als Favorit
heraus. Die Entscheidung für eine Doppelfassade beruht auf praktischen und technischen
Gesichtspunkten. Da die bestehende Fassade lediglich anzupassen war und der Innenausbau
bestehen bleiben sollte, wurde Wert darauf gelegt, alle Baumaßnahmen außerhalb der
Bestandsfassade durchzuführen.
4.3. Konstruktion der Doppelfassade
Die Tragstruktur der Bestandsfassade bleibt unverändert. Es werden lediglich neue, gedämmte
Fassadenelemente vor den Brüstungen montiert und die Verglasung der Fenster ausgetauscht.
Die neue Glashülle ist als hängende Fassade ausgebildet und von der Dachebene abgehängt.
Vertikallasten werden über das Dach und Horizontallasten über die Tragstruktur der
Wartungsbalkone abgeführt. Durch diese Konstruktion können die großen Toleranzen des
Bestandsbaus am besten aufgenommen werden.
Abb. 10: Prinzipskizze Doppelfassade
Gestalterisch bietet die neue Fassade die Möglichkeit, das Erscheinungsbild des Gebäudes zu
verändern. Indem die Glasebene nach außen verlegt wird, wirken die Fassaden weniger dunkel.
Die vertikale Betonung der Pfosten streckt das Hochhaus optisch, im Gegensatz zur horizontalen
Ausrichtung der bestehenden Wartungsbalkone.
Während des Bauablaufes wird zunächst die neue Glasfassade montiert. Alle Maßnahmen an
der Bestandsfassade können danach witterungsunabhängig von den Wartungsbalkonen
durchgeführt werden. Auch die Klimatechnik wird von hier installiert. Die Beeinträchtigung des
Innenraumes und Büroalltags beschränkt sich dadurch auf den Austausch der
Fensterverglasung und Ausbau der Klimageräte in der Brüstung. Somit kann die Ausfallzeit auf
zwei Tage pro Büroraum reduziert werden.
4.4. Klimakonzept
Die neue Doppelfassade ist integraler Bestandteil des Klimakonzeptes. Im Winter funktioniert
die Fassade als Klimapuffer, in dem die Luft durch Sonneneinstrahlung vorkonditioniert wird.
Die Luft aus der Fassade wird durch dezentrale Klimageräte nachbehandelt und individuell
gesteuert in die Büroräume eingebracht. Die Abluft wird zunächst in den dezentralen
Klimageräten über einen Wärmetauscher geführt und danach direkt nach außen geleitet.
Im Sommer wird die Luftführung umgekehrt. Im Fassadenzwischenraum entsteht durch solare
Einstrahlung ein thermischer Auftrieb. Der dadurch entstehende Unterdruck unterstützt die
Klimatechnik bei der Abfuhr der Abluft und reduziert so die notwendige Antriebsleistung.
Frischluft wird von außen direkt nachgeführt.
Abb. 11: Winterfall: Luft wird im
Fassadenzwischenraum vorgewärmt
Abb. 12: Sommerfall: Auftrieb im
Fassadenzwischenraum unterstützt die Abluft
4.5. Energie und Betriebskosten
Nach der Fassadensanierung kann eine Energieeinsparung von ca. 75 % erreicht werden.
Dieses Ergebnis entsteht durch:
•
•
•
•
•
Verbesserte Wärmedämmung
Verbesserte Winddichtigkeit
Neue Klimageräte
Hocheffizienten Sonnenschutz
Individuelle, aber zentral kontrollierte Steuerung der Klimatechnik
Abbildung 13 zeigt die Einsparung der Betriebskosten nach der Sanierung. Hier fällt auf, dass
durch die Erneuerung der Fassade der Aufwand für Heizung und Kühlung enorm reduziert wird.
Die große Einsparung bei Antriebsleistung und Wartungsaufwand ergibt sich durch die
Verwendung moderner Klimatechnik.
Betriebskosten Technik/a
160.000 €
140.000 €
120.000 €
Inspektion und Wartung
Antriebsleistung
100.000 €
Licht
Kälte
80.000 €
Heizung
60.000 €
40.000 €
20.000 €
0€
vorhandene Anlage
Variante 2
Abb. 13 : Vergleich der Betriebskostenkosten vor und nach Sanierung
4.6. Lebenszykluskosten
Die Berechnungen der Lebenszykluskosten zeigen, dass sich die Investitionskosten der
Klimatechnik nach ca. 7 - 8 Jahren amortisieren. Dabei wurde eine Kostensteigerung von 10 %
zugrunde gelegt und davon ausgegangen, dass die bestehenden Geräte sukzessive erneuert
werden müssen. Die gesamte Sanierungsmaßnahme (Fassade und Technik) amortisiert sich
nach dieser Berechnung binnen 13 - 14 Jahren.
Weitere finanzielle Aspekte, die hier nicht eingerechnet sind, verbessern die Bilanz zusätzlich.
Als Beispiel sei erwähnt, dass durch den Einbau eines Teils der Klimageräte im
Fassadenzwischenraum die Abkofferung im Innenraum (vgl. Abb. 6) bei der nächsten
Innenrenovierung verkleinert werden kann. So werden 4 % vermietbare Fläche gewonnen. Bei
einer Miete von 10,00 €/m² ergeben sich daraus Mehreinnahmen von rund 11.000 € pro Jahr.
Lebenszykluskosten der Klim atechnik bei 10% Energiepreissteigerung/a
25.000.000
20.000.000
15.000.000
vorhanden
Variant 2
10.000.000
5.000.000
0
1
2
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4
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Abb. 14: Lebenszykluskosten Technik
Lebenszykluskosten von Fassade und Technik mit 10% Energiepreissteigerung /a
35.000.000
30.000.000
25.000.000
20.000.000
vorhanden
Variant 2
15.000.000
10.000.000
5.000.000
0
1
2
3
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5
6
7
8
9
10
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15
16
N ut z ung sz ei t
Abb. 15: Lebenszykluskosten Fassade und Technik
17
18
19
20
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22
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24
25
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5. Zusammenfassung und Ausblick
Fassaden gehören zu den wichtigsten und komplexesten Bauelementen. Die Integration von
haustechnischen Komponenten in die Fassade stellt den aktuell höchst entwickelten Stand der
Technik dar und wird in der Zukunft an Bedeutung gewinnen.
Wir haben gezeigt, dass man mit Hilfe einer geschickten Fassadenkonstruktion im
Zusammenhang mit intelligenten Klimakonzepten ein Bürogebäude optisch, technisch und
energetisch auf den aktuellen Stand bringen kann, ohne die Nutzer des Hauses übermäßig zu
belästigen. Dadurch lassen sich Ausfallzeiten und Produktivitätseinbußen vermeiden.
Die Analyse von anderen Gebäudetypen und Ausgangslagen wird selbstverständlich eine andere
Herangehensweise ergeben. Entscheidend für eine ressourcenschonende, ökologisch und
ökonomisch erfolgreiche Sanierung ist die analytische Betrachtung, verbunden mit der
persönlichen Erfahrung bei ähnlichen Herausforderungen.
6. Quellenverzeichnis
Hoffmann, C. (2006). "Was wissen wir über den Gebäudebestand an Nichtwohn- und
Bürogebäuden in Deutschland und Europa? - eine Literaturrecherche." Gesundheits-Ingenieur Haustechnik - Bauphysik - Umwelttechnik 127 (2-2006): 69 - 75.
ING-Real-Estate (2008). ING Real Estate European View. I. R. Estate. The Hague: 70.
Russig, V. (1999). "Gebäudebestand in Westeuropa." IFO Schnelldienst: 13 - 19.
Schlomann, B. and E. Gruber (2004). Energieverbrauch der privaten Haushalte und des Sektors
GHD. Karlsruhe, Berlin, Nürnberg, Leipzig, München.