Ökologische Bewertung von Fensterkonstruktionen

Synthese eines SZFF-EMPA Forschungsprojektes

Tina Künniger, Empa
Dr. Klaus Richter,  ehemals EMPA

Die Studie wird vom SZFF vertrieben und ist nur in deutscher Sprache erhältlich.

• 1 Hintergrund
• 2 Ziele, Randbedingungen, Abgrenzungen
• 2.1 Ziele
• 2.2 Funktionale Einheit
• 2.3 Systemgrenzen
• 2.4 Sachbilanz
• 2.5 Wirkungsbilanzierung
• 3 Ergebnisse
• 4 Erkenntnisse
• Literatur

Mit Ökobilanzen lassen sich wichtige Kenndaten zu den durch ein Produkt über dessen gesamten Lebenszyklus ausgelösten Umweltbeeinflussungen ermitteln. Sie werden eingesetzt, um umweltwirksame Verbesserungen bei der Herstellung, Verwendung und Entsorgung zu erkennen respektive umzusetzen, und um unter funktionsgleichen Produkten das ökologisch verträglichste auszuwählen. Für die Durchführung von vergleichenden Ökobilanzen ist es sinnvoll, die derzeit im Rahmen der internationalen Normenvereinigung ISO diskutierten Vorgaben und Grundsätze zu beachten, um den Anforderungen bezüglich Transparenz, Vollständigkeit, Nachvollziehbarkeit und Konsistenz zu genügen.

In der Anfangsphase der Ökobilanzierung wurden Produkte aus dem Konsumbereich, insbesondere Verpackungsmaterialien, mit Abstand am meisten untersucht. Wegen der bedeutenden Umweltwirkungen, die von Bauprozessen und Baut?tigkeiten ausgehen, werden seit einigen Jahren auch Baumaterialien und Bauprodukte in Ökobilanzen untersucht. Es ist dabei interessant, dass dem Fenster - und hier vor allen den Rahmenmaterialien - in Ökobilanzen von Bauprodukten eine erhöhte Beachtung zugekommen ist. Dies ist u.a auf folgende Gründe zurückzuführen:

• zwischen den Rahmenmaterialien besteht gegenwärtig eine grosse Konkurrenz um Marktanteile
• die Zahl der konkurrierenden Hauptwerkstoffe ist mit Holz, PVC, Stahl und Aluminium überschaubar
• der für Ökobilanzen wichtige Grundsatz einer funktionellen Gleichheit der zu untersuchenden Produkte ist bei Fensterrahmen mehrheitlich gegeben
• gegen einzelne Rahmenwerkstoffe wurden ökologisch motivierte Materialverbote ausgesprochen

Es darf festgestellt werden, dass sich die Ende der achtziger Jahre sehr kontrovers diskutierte Frage des Materialeinsatzes beim Fensterbau in den letzten Jahren etwas versachlicht hat. Dazu haben auch die in den bisherigen Ökobilanzen aufgezeigten Erkenntnisse beigetragen (Richter 1996). Gleichwohl besteht ein weiterhin grosser Bedarf nach Informationen über das Für und Wider einzelner Werkstoffe, um die Fragen der umweltgerechten Material- und Systemwahl zu versachlichen. Aus diesem Grund hat die Schweizerische Fachstelle für Fenster- und Fassadenbau (SZFF) die EMPA Dübendorf mit der Durchführung einer erweiterten und hinsichtlich der Beurteilungsgrundlagen aktualisierten Ökobilanz beauftragt (SZFF-EMPA 1996).

Die Studie verfolgte die folgenden Ziele

• Erstellen von Sachbilanzen für sieben unterschiedliche Fensterkonstruktionen unter Berücksichtigung der in ISO TC 207 SC5 diskutierten methodischen Vorgaben
• Darstellung des Einflusses nicht eindeutig begründbarer Annahmen (z.B. Wiederverwertungsanteile, Einsatz-Lebensdauern) über Szenarienrechnungen
• Darstellen der ökologischen Wirkungen durch die Fensterkonstruktionen(Wirkungsbilanz)
• Aufzeigen von Ansatzpunkten für ökologische Verbesserungen

Als funktionale Einheit wurde festgelegt:

• Fenster mit 2 Flügeln (einfeldrig, d.h. ohne Sprossen und Kämpfer)
• Aussenmasse 1650 mm x 1300 mm
• Flügelteilung je zur Hälfte
• Mittelpartie mit Stulp oder Setzholz
• Anschlag auf Leibung
• Ausführung mit Rahmen-Wetterschenkel
• Bilanzierung ohne Glas, aber mit Verglasungsmaterial

Alle bauphysikalischen und ausführungstechnischen Details wurden in Anlehnung an die Vorgaben in schweizerischen Normen und Richtlinien definiert (EMPA-SZFF, FFF-EMPA). Alle Fenster wurden im Rahmen des Projekts von den beteiligten Unternehmen im 1:1 Massstab gefertigt, so dass der Material- und Herstellungsaufwand am fertigen Objekt erhoben und verifiziert werden konnte. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die untersuchten Konstruktionen und wichtige Kenngrössen:

* Nettoflächen bei Einbau auf Leibung

Die Studie untersucht den gesamten Lebensweg der Fenster. Die Umweltwirkungen der Hauptmaterialflüsse und aller eingesetzten Energietr�ger wurden von der Resourcenentnahme erfasst und bis zum Rückbau der Fenster verfolgt, ebenso die bei der Fensterherstellung und den Unterhaltsarbeiten verwendeten Hilfs- und Kleinmaterialien. Die Bewertung der Energiebereitstellung erfolgte mit den von Frischknecht et al. (1994) publizierten Modulen, zu den wichtigen bei der Fensterfertigung eingesetzten Materialien und Prozessen wurden neue bzw. aktualisierte Module erstellt.

Wesentliche Festlegungen, die das Ergebnis der Untersuchung mitbestimmen, betreffen:

• Die aktuellen und zukünftigen Splits von Neu- und Altmaterial bei der Metall- und PVC-Profilherstellung. In den letzten Jahren sind insbesondere für Fensterrahmen aus PVC und Aluminium Bestrebungen angelaufen, die eine geschlossene Kreislaufführung (closed loop recycling) anstreben (Frei, AUF). Dies wurde in der Studie durch Untersuchung eines Ist- und Zukunftsszenarios berücksichtigt. Das Ist-Szenario geht von der derzeitigen durchschnittlichen Materialzusammensetzung aus, berücksichtigt aber am Ende des ersten Lebenszklus die in Zukunft (mindestens 30 Jahre) theoretisch möglichen Rückführungsanteile in eine Wiederverwertung. Alle über Recycling wiederverwertbaren Materialanteile verlassen die Systemgrenze des Ist-Fensters, die Aufbereitungs- und Sammelaufwendungen werden dem nächsten Fenster belastet, das dann mit dem zukünftigen Materialsplit bewertet wird. Das Vorgehen ist am Beispiel des Aluminium Fensters in Abbildung 2 schematisiert dargestellt, Tabelle 2 gibt die eingesetzten Splits an. Bei den Holzprofilen ist ein werkstoffliches Recycling nicht möglich, der Rohstoff regeneriert sich natürlich im Wald. Es wird sowohl beim Ist- als auch beim Zukunftsszenarum von 100% Primärmaterial ausgegangen. Allerdings sind Entwicklungen im Bereich der Verwertung des Altholzes nach der Materialtrennung absehbar, die eine thermische Verwertung in speziell ausgerüsteten Altholzfeuerungen vorsehen, so dass der Heizwert des Holzes unter Berücksichtigung gewisser Wirkungsgradverluste gutgeschrieben werden dann. Im Zukunftsszenarium ist dies bei der Verwertung berücksichtigt (Tabelle 2).

• Trotz gleicher Flächengrössen ist der Servicenutzen der Fenster material- und konstruktionsbedingt unterschiedlich. Dies betrifft insbesondere den k-Wert. Die umweltwirksamen Auswirkungen dieser Unterschiede wurden in der Studie beachtet, indem die vom k-Wert der Rahmen abhängigen Heizenergieverluste durch die Rahmenflächen über die angenommene Mindestnutzungszeit von 30 Jahren ermittelt wurden. Als Bezugsgrösse wurden die Bruttorahmenflächen aus den Konstruktionszeichnungen herangezogen, was die praxisübliche Einbauart der metallischen Rahmenmaterialen beschreibt. Die Rahmen aus PVC, Holz- und Holzmetall werden praxisüblich auf Leibung angeschlagen, so dass hier nur die Nettorahmenflächen für die Heizenergieverluste heranzuziehen sind. Um diese wichtigen Unterschiede zu berücksichtigen, wurden für die Konstruktionen Holz-Aluminium, Holz und PVC in Szenarien auch die Heizenergieverluste aufgrund der Nettorahmenflächen berechnet. Da dadurch aber die Längen- und Breitenmasse der Fenster geringfügig erhöht werden müssen, um das Wandloch von 1650 mm x 1300 mm auszufüllen, wurden die entsprechenden Materialmengen der Sachbilanzen der Fenster für dieses Szenarium um 5% erhöht. In der Ökobilanz wurden dann die Umweltwirkungen ermittelt, die durch die Deckung der Heizernergieverluste über eine Erdgas LowNox-Feuerung entstehen.
• Die Unterhaltsaufwendungen zur Gewährleistung einer guten technischen Funktionserfüllung über die Nutzungszeit bei den betroffenen Materialien. Diese betreffen insbesondere das Holzfenster, für das Anstricherneuerungen der Innen- und Aussenflächen nach einem mit den Erfahrungen der EMPA übereinstimmenden Zyklus berücksichtigt wurden. Auch für das Stahlfenster wurden in einem Szenarium die Auswirkungen von Anstrichausbesserungen im Falle von Korrosion ermittelt. Ein Ersatz von Dichtungen und Beschlägen wurde einheitlich nicht betrachtet.

Als weitere Einflussgrössen wurden in den Szenarien untersucht:

• k-Wert Spannweiten (thermisch optimiert/Durchschnitt)
• Auswirkungen verschiedener Oberflächenbehandlungen (Chromatierung/Anodisierung, Lasur/Decklack)
• Länderspezifische Unterschiede (Stromproduktion Schweiz/Deutschland)

Die Ermittlung der Herstellangaben basiert auf einer angenommenen Auftragsgrösse von 20 Fenstern, d.h. alle Verschnitts- und Aufwandermittlungen orientieren sich an diesen Bedingungen. Die Ermittlungsgenauigkeit innerhalb der teilnehmenden Betriebe war unterschiedlich. Bei einigen Betrieben wurden detaillierte Energieerfassungen und Stoffflussberechnungen gemacht, andere haben Durchschnittswerte aus Jahresstatistiken als Grundlage herangezogen. Die Kernangaben zu den Massen- und Energieverbr�uchen und herstellungsbedingten Emissionen wurden dann über die Software EMIS (Carbotech 1995) mit den vor- und nachgelagerten Prozessen verknöpft und bewertet.

Nicht durch Daten belegt ist der Montageaufwand beim Fenstereinbau und Rückbau sowie die Zerlegung beim Altstoffhändler. Auch die Verglasung bleibt ausserhalb der Systemgrenzen, weil Ökobilanzdaten für Wärmeschutzgläser in einer parallel laufenden Studie erhoben worden sind.

Die ökologische Gewichtung der Stoff- und Energieflüsse wurde im Rahmen der Bilanzbewertung über die von (Heijungs et al. 1992) vorgeschlagene wirkungsorientierte Klassifizierung und eine Erfassung des Primärenergieverbrauches bzw. der Deponiemassen durchgeführt.

Der prinzipielle Ansatz der Wirkungsabschätzung ist folgender: Für eine beschränkte Anzahl von Umwelteffekten (Treibauseffekt, Sommersmog, Versäuerung etc.) werden sogenannte Leitsubstanzen definiert (CO2, SO2, Phosphat, Ethylen). Andere Stoffe, von denen eine Wirkung auf denselben Umwelteffekt bekannt ist, werden in Abhängigkeit ihrer potentiellen schädigenden Wirkung auf diese Leitsubstanzen bezogen. Daraus resultieren die Indizes für die jeweilige Gesamtumweltbelastung. Diese Modellbetrachtung strebt somit an, die ökologischen Folgen der in der Sachbilanz ermittelten Stoffe zu parameterisieren, indem den Stoffen jeweils eine definierte ökologische Folgewirkung zugeordnet wird. So können zum Beispiel ozonabbauende Stoffe über ihr Ozonabbaupotential, Treibhausgase über ihr Treibhauspotential aggregiert werden. Es muss hierbei allerdings unterstrichen werden, dass nicht alle der so errechenbaren Wirkungsbeiträge unter Fachleuten akzeptiert sind. In Tabelle 3 ist neben den in der Studie ausgewiesenen Wirkungskategorien eine Beurteilung der derzeitigen Akzeptanz der Methode nach Braunschweig (1996) angegeben. Die Zusammenstellung zeigt, dass insbesondere die Modelle zu den Ursache-Wirkungs Mechanismen der Potentiale Öko- und Humantoxizität umstritten und nur als vorläufiger Ansatz zu betrachten sind.

* wirkungsorientierte Bewertung nach (Heijungs et al. 1992)
** alle eingesetzten Energietr�ger und Energieformen werden auf Primärenergie zurückgerechnet
*** nach den in der Schweizerischen Abfallverordnung (TVA) vorgegebenen Abfallkategorien

1) naturwissenschaftlich abgestützte Aggregationsmethodik vorhanden
2) naturwissenschaftliche abgestützte Aggregationsmethodik vorhanden, aber überarbeitungsbedürftig
3) naturwissenschaftliche abgestützte Aggregationsmethodik noch nicht entwickelt

Die vorliegende Studie untersucht die ökologischen Auswirkungen für sieben in der Schweiz hergestellte Fensterkonstruktionen über alle relevanten Lebensphasen. Bei der Betrachtung der Resultate und deren Diskussion muss beachtet werden, dass die abgeleiteten Zahlenwerte zunächst nur für die zugrundeliegenden Sachbilanzen und die festgelegten Annahmen zutreffen. Insbesondere die Szenarien, durch die zukünftige Entwicklungstrends abgebildet werden, sind vor diesem Hintergrund zu bewerten. Die nachfolgenden Aussagen setzen somit voraus, dass die angenommenen Ziele innerhalb der nächsten Fenstergeneration erreicht werden können. Sollten insbesondere die Bestrebungen der geschlossenen Kreislaufführung bei den Metallen sowie bei PVC aus logistischen oder finanziellen Gründen nicht oder nur unzureichend umgesetzt werden, sind wichtige Schlussfolgerungen aus der Studie hinfällig.

Weiter muss unterstrichen werden, dass einzelne der verwendeten Module nur Teilaspekte der Umweltwirkungen abdecken und hier zukünftige Verbesserungen notwendig sind. Insbesondere fehlen zu spezifischen Aufbereitungsschritten bei Recyclingprozessen (Sekundärschmelzen im Zweikammersystem bei Aluminium) noch Emissionsdaten.

Ausserhalb der Systemgrenzen liegen zudem alle Aspekte, die mit dem Risiko von aussergewöhnlichen Unfällen oder Störfällen verbunden sind. Öltanker-, Pipeline-, Kraftwerk- oder Chemieunfälle sind aber nie vollständig auszuschliessen, so dass zusätzlich zu der Ökobilanz Risikoanalysen erstellt werden müssten. Es liegt aber auf der Hand, dass die in dieser Studie betrachteten Herstellungsketten der Rahmenmaterialien Holz, Stahl, Aluminium und PVC mit in dieser Reihenfolge steigenden Risikopotentialen behaftet sind. Auch die Folgen eines möglichen Brandfalls während der Nutzungsphase und daraus ableitbare Umweltschäden sind in der Studie nicht bewertet.

Ohne auf die einzelnen Materialvarianten einzugehen, können die folgenden generellen Aussagen festgehalten werden.

• Die weitaus grösste Zahl der Umweltwirkungen wird massgeblich durch die Kompensation der Wärmeverluste während der Nutzungszeit sowie die - bedingt durch den grossen massenmässigen Anteil - konstruktiven Rahmenmaterialien verursacht. Die Bereitstellung der Heizenergie wirkt sich vor allem auf den Treibhauseffekt, den Gesamtverbrauch an Primärenergie und die Volumenmasse zur Inertstoffdeponie aus.
  Damit bestätigen die Ergebnisse die auch in anderen Energie- und Umweltstudien gemachten Erkenntnisse, dass die Umweltprobleme durch direkte Energieverluste in vielen Wirkungen die material- und bauteilspezifischen Belastungen übersteigen. Daraus muss für die Fenster ein Trend hin zum k-Wert-optimierten Rahmen bei gleichzeitig schlanken Profilen abgeleitet werden.
• Auch die im Fenster eingesetzten Massen spiegeln sich in vielen Bewertungsfaktoren wieder. Leichte Konstruktionen verursachen weniger Transport und Umweltlasten als schwere. Die Laufmetergewichte sollten minimiert werden.
• Deutlich kann abgesehen werden, dass die Szenarien mit den maximal möglichen Rückführungs- und Wiederverwertungsanteilen erwartungsgemäss die geringsten Umwelteinwirkungen ergeben (bei allen Metallen und PVC). Gemessen an den hiermit erzielbaren Veränderungen (bezogen auf die bauteilspezifischen Komponenten) treten die anderen Szenarien in den Hintergrund. Daraus ist zu folgern, dass die Bestrebungen zu geschlossenen Recyclingkreisläufen bei allen Rahmenmaterialien mit Nachdruck umgesetzt werden müssen. Nur dann erreichen Fenster aus Metallen und PVC ein vergleichbares Ökoprofil wie Fenster aus einheimischem Nadelholz. Erste materialspezifische Initiativen hierzu wurden vorgestellt und müssen umgesetzt werden. Auch materialübergreifende Bemühungen um eine möglichst vollständige Erfassung von Altmaterial aus dem Fenster und Fassadenbereich zur Ueberführung in die sachgerechten Verwertungsschienen sind vorgestellt (SZFF, FFF, EMPA 1995).
• Bei der Beurteilung der Deponievolumen muss berücksichtigt werden, dass sie stark durch den in den Randbedingungen dargestellten zukunftsorientierten Bewertungsansatz (alle Metalle und das PVC gehen zum optimalen Wiederverwertungsansatz in den nächsten Produktezyklus über) beeinflusst sind. Würde keine Wiederverwertung auf gleicher Funktionsstufe erfolgen, müssten die entsprechenden Fenster Anteile des Downcyclings tragen.
• Die Ergebnisse zeigen zudem, dass es keinen Werkstoff bzw. keine Konstruktion gibt, die in allen untersuchten Effekten deutliche Vorteile und auch deutliche Defizite aufweist. Damit kann, unter den Randbedingungen der Studie, abgeleitet werden, dass Materialboykotte und Anwendungsverbote keine sachlich begründbare Legitimierung haben.
• Die in den Szenarien dargestellten, für sich statisch betrachteten Veränderungen lassen sich in der Praxis kombinieren, so dass durch geschickte Umsetzung der Möglichkeiten für jede der untersuchten Fensterkonstruktionen noch günstigere ökologische Gesamtbewertungen erzielbar sind.

• Braunschweig A 1996. Wirkungskategorien/ Synopse. Stand der Diskussion zur Systematik und Aggregationsmethodik. Thesenpapier 10.6.96
• Carbotech AG 1995. Environmental Management und Information System (Benutzerhandbuch)
• Frischknecht R., Hofstetter P., Knöpfel I. et al. 1994.Ökoinventare für Energiesysteme. Schlussbericht BEW/NEFF Forschungsprojekt 'Umweltbelastung der End- und Nutzenergiebereitstellung, 1. Auflage
• Heijungs R., Guinée J.B. et al 1992. Environmental Life Cycle Assessment of Products. Guide and Background. Centrum for Milieukunde, Leiden
• Richter K. 1996. Vergleichende Ökobilanz für Fenster. Bundesbaublatt 3, 220- 223
• SZFF/FFF/EMPA 1995 Entsorgung und Wiederverwertung von Fenster-, Türen- und Fassadenbau-Materialien. Merkblatt 1995.
• SZFF/EMPA 1996. Ökologische Bewertung von Fensterkonstruktionen. Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben, 187 S.