Statistische Auswertungen der Verbrauchswerte zeigen, dass Krankenhäuser zu den Spitzenverbrauchern gehören. Viele der deutschlandweit 2080 Krankenhäuser mit insgesamt 503.422 Betten (vgl. [Destatis 2009]) sind sanierungsbedürftig. Um die vorhandenen Einsparpotentiale bei Modernisierungen und energieeffizienten Neubauvorhaben zu erkennen und zu nutzen wurden im Auftrag des Landes Hessens begleitend zum Neubauvorhabens des Klinikums Frankfurt Höchst (vgl. [Schumacher/Kah 2012], [Naß/Frydrychowski 2013]) grundlegende Fragestellungen zur Umsetzung des Passivhaus-Standards in Krankenhäusern untersucht. Der Beitrag stellt die wesentliche Erkenntnisse der Grundlagenstudie vor (vgl.Kah et al 2013).

Häufig wird angenommen, dass der Passivhaus-Standard sich ausschließlich auf den Heizwärmebedarf bezieht. Ziel ist es hingegen den Energieeinsatz aller für die Dienstleistung der medizinischen Versorgung im Krankenhaus relevanten Anwendungen bei mindestens gleichem Komfort maßgeblich zu reduzieren. Daher bedarf es für den Krankenhausbetrieb, wie bereits zuvor bei anderen Nichtwohngebäuden (z.B. Bildungsgebäude, Schwimmbäder), zunächst einer Klärung aller relevanten Energiedienstleistungen, der dafür üblichen Verbrauchswerte und einer Ermittlung der Einsparpotentiale. Die Energieströme innerhalb des Systems „Gebäude“ sind nicht unabhängig voneinander, so kann eine effiziente Geräteausstattung gleichzeitig den Kühlbedarf reduzieren: Die Einflüsse der Nutzung sind umso relevanter, je effizienter das Gebäude ist. In konventionellen Energiebilanzverfahren wie beispielsweise der DIN V 18599 bleiben funktionsrelevante Energieanwendungen, wie z.B. die medizinischen Geräte, hingegen unberücksichtigt.

Zu den Besonderheiten in Krankenhäusern hinsichtlich der Umsetzung des Passivhaus-Konzepts gehören die Anforderungen in hygienisch sensiblen Bereichen, erhöhte Komfortanforderungen der genesenden und älteren Patienten und Patientinnen, die Vielzahl der unterschiedlichen Energieanwendungen sowie Prozesse, die erhebliche und für den jeweiligen Raum zu hohe, Abwärmemengen freisetzen.

Wie die Auswertung der einschlägigen Richtlinien zeigt, bestehen keine grundsätzlichen Hindernisse, die gegen den Einsatz erprobter Energiespartechniken sprechen. Z.T. ergänzen sich hygienische und energetische Anstrengungen sogar. Eine hochwertige Dämmung der Trinkwarmwasserverteilleitungen und eine Optimierung der Zapfstellen (gemäß [RKI 1] nur dort, wo diese auch tatsächlich regelmäßig benötigt werden), verringert das Risiko einer gesundheitsgefährdenden Vermehrung von Legionellen und reduziert zugleich die Verteilverluste des Trinkwarmwassernetzes. Gelten in hygienisch sensiblen Bereichen besondere Anforderungen, wie z.B. im Bereich der OP-Säle, sind die Lösungsansätze entsprechend anzupassen (vgl. auch [Bräunlich 2014]). Grundsätzlich sollten neue Konzepte und Ansätze immer auch möglichst frühzeitig mit den zuständigen Stellen und Hygienikern abgestimmt werden.

In den Pflegezimmern wird der höchste Komfort bei Raumtemperaturen zwischen 22 und 23 °C erzielt. Für nur leicht bekleidete Patienten bzw. wenn Patienten im Bett gewaschen werden, liegt der Komfortbereich bei noch höheren Raumtemperaturen. Charakteristisch im Krankenhaus erscheint ferner die Vielzahl an Energieanwendungen, welche zudem abhängig von der Ausstattung des Hauses ist. Die Studie greift die energetisch relevanteren Verbraucher auf.

Häufig wird die Frage diskutiert, ob Anstrengungen zur Reduzierung des Wärmebedarfs lohnen, wenn es ohnehin im Krankenhaus Prozesse gibt, die zu viel Wärme abgeben. Wie eine genauere Analyse von Niedertemperaturabwärme nutzenden Verfahren zeigt, sind zum Verfügbar machen der Abwärme zusätzliche Prozesse erforderlich, welche den primärenergetischen Vorteil auf nur noch einen Bruchteil der genutzten Abwärme reduzieren. Die Abwärmenutzung ineffizienter Prozesse und Apparate ist sinnvoll und sollte geprüft werden, aber erst angegangen werden, wenn die Optimierung des eigentlichen Abwärme produzierenden Prozesses nicht möglich ist.

Ein nahezu durchgängiger Betrieb und erhöhte Anforderungen an den thermischen Komfort gehören zu den Eigenheiten eines Krankenhauses. Wärmeschutzmaßnahmen sind daher besonders lohnend. Bereits in konventionellen Krankenhäusern werden in den meisten Bereichen raumlufttechnische Anlagen eingesetzt. Eine umfassende Ausstattung des Gebäudes mit kontrollierter Lüftung mit Wärmerückgewinnung ist da nur noch ein kleiner Schritt. Die Bedingungen zur Umsetzung des Passivhaus-Konzepts sind vor diesem Hintergrund in Krankenhäusern günstig.

Art und Ausstattung eines Krankenhauses haben maßgeblichen Einfluss auf den Energiebedarf. Ob Einrichtungen wie eine Sterilgutversorgung, eine Verpflegungsküche, eine Wäscherei oder bildgebende Diagnoseverfahren im Hause vorhanden sind, ist entscheidend für die Höhe des Verbrauchs.

Wie die Untersuchung zeigt, lohnt auch ein Blick auf die nutzungsspezifischen Energieanwendungen, die in konventionellen Bilanzverfahren (wie z.B. der DIN V 18599) nicht berücksichtigt werden. Mit zunehmender Energieeffizienz der Gebäudehülle und -technik gewinnen diese Prozesse an Bedeutung. Der Anteil der in herkömmlichen Bilanzverfahren unberücksichtigten Anwendungen am Gesamtprimärenergiebedarf beläuft sich in der „Passivhaus-Variante“ auf beinahe 50 %. Dabei bieten auch diese häufig vernachlässigten Energieanwendungen erhebliche Effizienzpotentiale. Obwohl im Unterschied zur Situation bei Haushaltsgeräten die Energieeffizienz bei medizinischen und professionellen Geräten noch nicht als Thema erkannt worden zu sein scheint, bieten verfügbare Geräte und verbesserte Prozesse in der Summe Einsparpotentiale bei energieeffizienter Ausführung von über 30 %. Exemplarisch für den geplanten Neubau des Klinikums Frankfurt Höchst zeigt Abbildung 1 den Anteil am Primärenergiebedarf der größeren Verbraucher eines Krankenhauses bei energieeffizienter Ausführung.

Abbildung 1: Anteile unterschiedlicher Energieanwendungen am Primärenergiebedarf exemplarisch für den geplanten Neubau des Klinikums Frankfurt Höchst. Die weißen Linien markieren den Bereiche, der bei herkömmlichen Bilanzverfahren unberücksichtigt bleibt.

Die Vielzahl der Prozesse und Geräte stellt dabei eine Besonderheit im Krankenhaus dar. Umfassende Energieeinsparungen werden sich vermutlich nur bei geeigneter Energiekennzeichnung der relevanten Produkte auch in der Praxis realisieren lassen. Marktrecherchen zu wichtigen Geräten und Anwendungen und ingenieurmäßige Abschätzungen zu deren Energiebedarf sind im Rahmen der Planung kaum leistbar.

Durch Anwendung von Effizienzmaßnahmen auf der Gebäudeseite (Heizwärme, Lüftung, Warmwasser und Hilfsenergie) sind, wie die Untersuchungen zeigen, gegenüber konventionellen Neubauten Einsparungen von 60 % beim Wärmebedarf und über 50 % beim Endenergiebedarf erzielbar

Abbildung 2: Exemplarische Energiebedarfswerte aller Energieanwendungen in einem Krankenhaus (EnEV: Referenzausführung gemäß EnEV 2009). Der Variante Passivhaus liegen bzgl. Verbesserter Effizienz eher konservative Annahmen zugrunde (vgl. [Kah et al 2013]).

Wird der Primärenergiebedarf aller Anwendungen eines Krankenhauses der Maximalversorgung betrachtet, betragen die Einsparung durch Einsatz von verfügbaren Technologien höherer Energieeffizienz 40 bis 50 % (vgl. Abbildung 2). Im Folgenden werden exemplarisch die Ergebnisse zu ausgesuchten Energieanwendungen vorgestellt.

Krankenhäuser zählen in der Regel zu den großen und kompakten Gebäuden. Die Untersuchungen zeigen, dass trotz höherer Raumsolltemperaturen und höherer Luftwechsel im Krankenhaus im Vergleich zu anderen Nutzungen, der Heizwärmebedarf durch den Einsatz von Effizienztechnologien und mit vertretbarem Aufwand auf 15 kWh/(m²a) begrenzt werden kann.

Wie auch bei anderen Passivhausgebäuden, spielt durch den guten Wärmeschutz die Art der Wärmeübergabe keine große Rolle. Eine Beheizung über Heizflächen, d.h. die Entkopplung von Lüftung und Heizung, ist im Krankenhaus aus unterschiedlichen Gründen praktikabler. Synergien können sich z.B. ergeben, wenn Flächenheizsysteme zu Heiz- und Kühlzwecken verwendet werden.

Alle gängigen Versorgungslösungen sind möglich. Aufgrund der vorhandenen Grundlast für Trinkwarmwasser und Strom stellt die Kraftwärmekopplung eine interessante Lösung dar.

Die wesentlichen Optimierungspotentiale zur Senkung des Energiebedarfes der Trinkwarmwasserversorgung liegen im sparsamen Umgang mit warmem Wasser durch wassersparende Armaturen, der Verringerung der Verteilverluste und der effizienten Erzeugung des warmen Wassers.

Prognosen zum Energiebedarf und energetische Optimierungen des Trinkwarmwassersystems sollten auf realistischen Verbrauchswerten beruhen. Liegen keine eigenen Daten, z.B. aus einem Bestandsgebäude mit vergleichbarem Versorgungsumfang vor, kann ein mittlerer Verbrauchswert von 50 Liter pro Planbett und Tag angesetzt werden (Wert basiert auf Literaturangaben und eigenen Messungen).

Bis zu 50 % des Wärmebedarfs des Trinkwarmwassersystems sind Wärmeverluste der Verteilleitungen. Maßnahmen, welche die Wärmeverluste verringern, reduzieren gleichzeitig den unerwünschten Wärmeeintrag in Kaltwasserleitungen und helfen interne Lasten im Sommer zu senken. Daher sollte das Warmwassernetz möglichst kompakt und überdurchschnittlich gut (über die Anforderungen der EnEV hinaus) gedämmt (vgl. [Kah et al 2013]) ausgeführt werden.

Gegenüber einem konventionellen zentralen Verteilnetz mit Rohrdämmungen gemäß EnEV 2009 konnten die Verteilverluste durch Optimierung des Netzes und höhere Dämmstärken um 33 % vermindert werden. Durch Nutzung von erneuerbaren Energien (wie z.B. thermischen Solaranlagen) kann der mit der Warmwasserbereitung verbundene Kohlendioxid-Ausstoß weiter vermindert werden. Eine Vorerwärmung des Trinkwarmwassers stellt ferner eine interessante Senke zur Abwärmenutzung dar.

Wesentlich erscheint, dass zunächst alle Möglichkeiten zur Reduzierung der Kühllasten ausgeschöpft werden. Dazu zählt die Verbesserung der Effizienz von künstlicher Beleuchtung, EDV und medizinischer Geräte. Um auch die solaren Lasten zu reduzieren, ist ein geeigneter Sonnenschutz maßgeblich. Ausreichend zugängliche Speichermasse, z.B. durch unverkleidete Betondecken, puffern sommerliche Temperaturspitzen, verbessern das sommerliche Verhalten und sind Grundlage für passive Kühlmaßnahmen, welche die Gebäudekonstruktion als Speicher für überschüssige Wärme nutzen und diese zeitversetzt z.B. nachts abführen.

Wird durchgängig auf energieeffiziente Anwendungen gesetzt, bleiben die internen Lasten in der Fläche im moderaten Bereich und deren genauer zeitlicher Verlauf spielt bei überwiegend massiver Bauweise keine so große Rolle. Mit passiven Kühlmaßnahmen kann die sommerliche Behaglichkeit weitgehend hergestellt werden.

Kühlung mittels großer klimatisierter Volumenströme, welche den eigentlich hygienisch erforderlichen Bedarf deutlich übersteigen, sollte zugunsten anderer Systeme, wie z.B. der Bauteilkühlung vermieden werden.

In Funktionsbereichen wie den Operationsträumen, der Intensivstation und Laborräumen eines Krankenhauses ist eine kontrollierte Lüftung verbunden mit hochwertiger Filterung unerlässlich. Aber auch in den übrigen Bereichen insbesondere in den Pflegebereichen sollte eine kontrollierte Lüftung vorgesehen werden, um eine dauerhaft gute Luftqualität sicher zu stellen.

Selbst bei energieeffizienter Ausführung der Lüftungsanlagen verursacht der Hilfsenergiebedarf der Lüftungsanlagen einen wesentlichen Anteil am Gesamtenergiebedarf eines Krankenhauses. Die folgenden Aspekte sollten für energieeffiziente Lüftungsplanung besondere Berücksichtigung finden und werden im Beitrag [Bräunlich 2014] genauer ausgeführt.

• Luftmengen an den tatsächlichen Bedarf anpassen (Dimensionierung und Regelung)
  
• Geringe Druckverluste im Kanalnetz (Für Funktionsbereiche mit geringeren Anforderungen an die Luftaufbereitung (z. B. in den Pflegestationen) sollten z.B. die Druckverluste je Strang max. 200 Pa betragen.)
  
• Energieeffiziente Lüftungsgeräte (Die spezifische elektrische Leistungsaufnahme sollte 0,45 Wh/m³ nicht überschreiten)
  

Im Vergleich zu anderen Nichtwohngebäuden sind im Krankenhaus vor allem die langen Nutzungszeiten charakteristisch. Viele Bereiche werden auch am Wochenende und in der Nacht genutzt. Wie Berechnungen zum Kunstlichtbedarf zeigen, weisen die Pflegezimmer und die Flure der Allgemeinpflege, aufgrund der durchgängigen Nutzung, die höchsten Energiebedarfswerte auf. Zwar sind die Mindestbeleuchtungsstärken in den Untersuchungsräumen und Dienstzimmern am höchsten, doch bestehen dort aufgrund der überwiegend am Tage stattfindenden Nutzung auch die besten Voraussetzungen für die Tageslichtnutzung. Der Kunstlichtbedarf ist dort daher deutlich geringer als in den Bettenzimmern.

Ferner belegen die Berechnungen, dass gegenüber den Annahmen der EnEV 2009 der Energiebedarf beträchtlich reduziert werden kann. Der wesentliche Beitrag wird hierbei mit einer effizienten Kunstlichtausstattung erzielt. Alleine durch die optimierte Ausstattung mit Leuchten (Zielwerte gemäß [SIA 380-4] werden eingehalten) beträgt die Einsparung 70 % in Bettenzimmer bzw. 60 % in Untersuchungsräume und Dienstzimmern.

In Bettenzimmern werden gerne in Versorgungsschienen integrierte Beleuchtungslösungen eingesetzt. Die modulare Systembeleuchtung erfüllt die medizinisch-pflegerischen Ansprüche und schafft eine wohnliche Atmosphäre. Die empfohlenen Zielwerte bezüglich der elektrischen Effizienz werden jedoch bedingt durch die indirekte Allgemeinbeleuchtung selbst in der LED-Ausführung nicht erfüllt.

Die ZSVA gehört ebenfalls, zu den größeren Verbrauchern in Krankenhäusern. Energetisch relevant sind vor allem der Reinigungs- und der spätere Sterilisationsprozess von Operationsbestecken und sonstigen Sterilgütern.

In den Reinigungs- und Desinfektionsautomaten dient der größte Energieanteil der Erwärmung des Wassers. Dort liegt daher auch das wesentliche Einsparpotential. Der sparsame Umgang mit Wasser durch Abstimmung der Wassermengen auf die Standzeit vor dem Spülvorgang und die Art der Reinigungsgüter gehört zu den verfügbaren Maßnahmen und erzielt Energieeinsparungen um 20 % beim Reinigungsprozess.

Der größte Teil der zugeführten Energie (über 60 %) gelangt nach dem Reinigungsprozess in Form von Wärme ins Abwasser. Im Gerät integrierte Wärmerückgewinnungssysteme, wie in gewerblichen Küchenspülmaschinen verfügbar, werden für Reinigungsautomaten der ZSVA nicht angeboten. Eine interessante Lösungen bieten Tanksysteme, die zumindest eine Wiederverwendung des heißen VE-Wassers (93 °C) aus der Desinfektionsphase ermöglichen.

Die Dampfsterilisation ist das sicherste aber auch energieintensivste Verfahren und gemäß einschlägiger Richtlinien im Krankenhaus gegenüber anderen Methoden zu bevorzugen (vgl. [KRINKO 2012]). Bei diesem Verfahren wirkt reiner, gesättigter Wasserdampf auf die Oberflächen des Sterilisiergutes.

Bis zu 70 % der Energie werden durch die Prozessführung mit zyklischen Vakuumphasen und Dampfstößen in der Vakuumanlage (im Kondensator und über die Pumpe) an das Kühlwasser abgegeben.

Erhebliche Wärmemengen gehen im Reinigungsprozess in die warmen Abwässer und während der Dampfsterilisation an den Kühlkreis der Vakuumanlage. Mit geeigneten technischen Lösungen könnte zumindest ein Teil davon in anderen Prozessen, z.B. zur Erwärmung des Trinkwarmwassers, genutzt werden.

Die heute eingesetzten Ganzkörpersysteme haben überwiegend Magnetfeldstärken von 1 bis 1,5 Tesla, neuere Systeme auch 3 Tesla. Die hohen Feldstärken des statischen Magnetfelds werden mit tiefgekühlten supraleitenden Spulen erzeugt. Die dauerhaft erforderliche Kühlung bis nahe an den absoluten Nullpunkt ist ursächlich für einen wesentlichen Anteil des Energiebedarfs des MRT.

Beim Energiebedarf dominiert, aufgrund der dauerhaften Kühlung, die Grundlast den Verbrauch. Die Prozesse während des eigentlichen Aufnahmezyklus haben, durch die kurzen Aufnahmezeiten, hingegen eher untergeordnete Bedeutung.

Energetisch interessant sind kürzere Untersuchungszeiten, wenn hierdurch mit weniger MRT-Systemen, das Diagnoseaufkommen bewältigt werden könnte. Dasselbe gilt für längere Betriebszeiten, wenn in der Summe weniger Systeme für den Bedarf ausreichend wären.

Einsparpotentiale liegen auch in der Auswahl der Geräte. Jedoch fehlen von Herstellerseite noch standardisierte Energiekennwerte, welche einfache Vergleiche ermöglichen und als zusätzliche Anforderung Eingang in Ausschreibungen finden können. Weiteres Potential liegt in der effizienteren gebäudeseitigen Kühlung des MRT.

Maßgebliche Einsparungen wären durch Verwendung neuer supraleitender Materialien möglich, wenn der supraleitende Effekt bereits bei höheren Temperaturen eintritt und auf eine Helium-Kühlung verzichtet werden könnte.

Die frühzeitige Abstimmung und Beteiligung aller Akteure (auch des Medizintechnikplaners) – die „integrale Planung“ – stellt gerade bei komplexen Krankenhäusern einen wesentlichen Schlüssel zum Erfolg des Projekts dar. Genauere Einzelbetrachtungen im Vorfeld vermeiden spätere Iterationsschritte und erlauben energie- und kostenoptimierte Lösungen.

Wie die Untersuchung zeigte, lohnt auch ein Blick auf die nutzungsspezifischen Energieanwendungen, die in konventionellen Bilanzverfahren (wie z.B. der DIN V 18599) nicht berücksichtigt werden. Mit zunehmender Energieeffizienz der Gebäudehülle und technik gewinnen diese Prozesse an Bedeutung. Die Ausstattung des Krankenhauses hat wesentlichen Einfluss auf den resultierenden Energiebedarf. Der Bedarf wurde anhand eines Krankenhauses der Maximalversorgung ermittelt, kann aber nur exemplarischen Charakter haben. Im Vergleich zu einem konventionellen Neubau beträgt die Primärenergieeinsparung für alle Anwendungen durch Einsatz von verfügbaren Effizienztechnologien 40 bis 50 %.

Durch Versorgungslösungen, welche Umweltenergie nutzen oder auf dem Einsatz von erneuerbaren Energien beruhen, sind weitere Reduzierungen des Primärenergiebedarfs der Wärmebereitstellung möglich. Da der Wärmebedarf im Passivhaus-Krankenhaus bereits weitgehend durch Effizienzmaßnahmen reduziert ist, hat der Einsatz erneuerbarer Energien oder effizienter Wärmepumpensysteme jedoch nur noch beschränkten Einfluss auf den Gesamtenergiebedarf.

Ferner zeigte sich, dass häufig geeignete Kennzeichnungen an Geräten fehlen, die den Energiebedarf ausweisen. Selbst wenn der Wunsch zum Einsatz energieeffizienter Apparate besteht, ist der Produktvergleich oder die Festlegung einer energetischen Qualität in Ausschreibungen kaum möglich. Dies gilt sogar im Bereich der medizinischen Kühlschränke. Bei medizinischen Geräten erschweren zudem die langwierigen Zulassungsverfahren den Prozess einer möglichen Geräteoptimierung.

Die vorgestellte Grundlagenstudie zur Umsetzung des Passivhauskonzept in Krankenhäusern wurde im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung durchgeführt

[Bräunlich 2014] K. Bräunlich, O. Kah, Aspekte einer effizienten Lüftung in Krankenhäusern, 18. PHT 2014 Aachen.

[Destatis 2009] Statistisches Bundesamt, Stand 2009

[Kah et al 2013]O. Kah, K. Bräunlich, T. Schulz, A. Grill, O. Ottinger, R. Schumacher, Grundlagenstudie zur Umsetzung des Passivhauskonzept in Krankenhäusern, Studie im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung, Passivhaus Institut, Darmstadt 2013.

[KRINKO 2012] Anforderung an die Hygiene bei der Aufbereitung von Medizinprodukten, Empfehlung der Kommission für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention (KRINKO) beim Robert Koch-Institut, Bundesgesundheitsblatt 2012 55: 1244-1310.

[Naß/Frydrychowski 2013]W. Naß, J. Frydrychowski-Horvatin, Das erste Passivhauskrankenhaus Deutschlands – eine Herausforderung, der sich die Stadt Frankfurt gerne stellt! , 17. PHT 2013 Frankfurt.

[RKI 1] Robert Koch Institut, Richtlinie für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention, (Alte Anlagen der Richtlinie für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention)

[Schumacher/Kah 2012] R. Schumacher, O. Kah, Grundlagenstudie - Umsetzung des Passivhauskonzept in Krankenhäusern, 16. PHT 2012 Hannover.

[SIA 380-4]SIA 380-4, Ausgabe 2006: Elektrische Energie im Hochbau, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich

Übersicht der Passipedia-Artikel zum Thema Nichtwohngebäude

Übersicht der Passipedia-Artikel zum Thema Passivhaus-Krankenhäuser

Übersicht Leitfäden und Hilfsmittel

Übersicht aller Beiträge zur 18. Internationalen Passivhaustagung 2014 in Aachen

Tagungsband zur 18. Internationalen Passivhaustagung 2014 in Aachen