Heizlast von Gebäuden - Raumwärme aus dezentral erneuerbarem Strom

Besonders für die Photovoltaik lässt sich in diesem Fall unsere mitteleuropäische Klimazone keinesfalls mehr schön reden. Daher wird der Photovoltaik-Generator sicherlich nicht die einzige Quelle sein. Die Anforderungen hinsichtlich des Bedarfs an elektrischer Energie jedoch sind identisch. Eine Speicherung von elektrischer Energie ist für diesen Anwendungsfall de facto unumgänglich, die Integration von Kleinst-Windkraft  eine sehr willkommene Ergänzung. Um das Anforderungsprofil genauer zu bestimmen, ist die Ermittlung der Heizlast notwendig, um daraus ein entsprechendes Lastprofil zu generieren. Dies erfolgt im Rahmen der Heizlastberechnung nach DIN EN 12 831 als Basis.

Gebäudegröße bzw. Raumvolumen entscheidend
Die Heizlast gibt darüber Auskunft, welche Wärmeleistung für ein Gebäude bzw. für einen umbauten Raum notwendig ist, um bei einer maximal niedrigen Außentemperatur (Auslegungsfall) eine innere Raumwärme von 20°C bzw. 24°C sicherzustellen. Die Heizlast gibt also immer einen Maximalwert an, der für den Auslegungsfall notwendig ist. Der Auslegungsfall richtet sich nach drei unterschiedlichen Klimazonen, wie sie im nationalen  Anhang der Norm  mit -14°C; -16°C und -18°C definiert ist.
Natürlich richtet sich die Heizlast nach der Größe des Gebäudes bzw. nach dem gesamten Raumvolumen, den es zu temperieren gilt. Relevant sind hierfür die Umschließungsflächen, welche die thermische Hülle bilden und je nach thermo-dynamischer Qualität des Schichtenaufbaus die Größe der Heizlast in Kilowatt bestimmt. Vereinfacht dargestellt besteht die Heizlast aus folgenden zwei Parametern:
Transmissions-Wärmeverlust durch die Bauteile der Umschließungsfläche,
Lüftungs-Wärmeverluste durch Undichtigkeiten, Luftwechsel und Infiltration.
Seit Einführung der Energieeinsparverordnung verbesserte sich die energetische Qualität der thermischen Hülle stetig. Dies macht sich in einem zeitlichen Vergleich folgendermaßen bemerkbar: Während unmittelbar vor der Einführung der Energieeinsparverordnung auf Basis eines Niedrigenergiehauses für ein Standard-Einfamilienhaus mit einer zu beheizenden Wohnfläche von 160 m² noch eine Heizlast bis zu 10 Kilowatt notwendig war, sind es heute – gut 15 Jahre später – nur noch kaum mehr als die Hälfte, also etwa 5 Kilowatt.

Höhere Luftdichtigkeit von Gebäuden
Dies liegt aber nicht nur allein an der drastischen Verringerung der Transmissions-Wärmeverluste, sondern auch an der ebenfalls immer höheren Luftdichtigkeit von Gebäuden, die ja mittlerweile auch ein Lüftungskonzept verlangen, um in ers­ter Linie dem baulichen Feuchteschutz sicherzustellen. Lüftungsgeräte mit Wärmerückgewinnung ermöglichen eine weitere Reduzierung der Heizlast durch interne Wärmegewinne, da die Wärme nicht mehr hinausgelüftet wird, sondern innerhalb der thermischen Hülle verweilt.

Heizlastbezogene Raumliste
Im Rahmen der Heizlastberechnung wird jeder zu beheizende Raum  einzeln aufgeführt und festgelegt, auf welch eine Raumtemperatur dieser zu temperieren ist. Für Wohn- und Aufenthaltsbereiche gilt dabei 20°C, für Badezimmer, Duschbäder und andere Hygieneräume 24°C. Für untergeordnete Räume wie Kellerräume und dergleichen kann eine niedrigere Raumtemperatur von 18°C angesetzt werden. Diese Temperaturdifferenzen zur Außentemperatur gilt es also zu überwinden. Die Summe der einzelnen Raum-Heizlasten ergeben dann die gesamte für das Gebäude notwendige Heizlast. Diese Aufteilung ermöglicht somit auch eine Zonierung von Wärmebereichen innerhalb des Gebäudes, was auch regelungstechnisch relevant sein kann.

Differenzierung der sogenannten Heizperiode
Was bislang in den seltensten Fällen geschieht, ist eine spezifische Differenzierung der Heizlast, womit sich das Forum Wohnenergie seit vielen Jahren in der Praxis auseinandersetzt. Eine solche Differenzierung der Heizlast ist aber insbesondere bei einer angestrebten Energieautonomie und Nutzung Erneuerbarer Energien notwendig, denn die Zeiten, mit Kanonen auf Spatzen zu schießen, sind vorbei.
Wie oben ausgeführt ist die Heizlast abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen außen und innen. Also handelt es sich bei der Heizlast nicht um einen statischen Wert, sondern ganz im Gegenteil um eine sehr dynamische Größe. Aus der Gewohnheit, wärmetechnisch jederzeit aus dem Vollen zu schöpfen, ergab sich durch zusätzliche Angst- und Sicherheitszuschläge auf die Heizlast eine systematische Überdimensionierung von Heizungsanlagen, mit der Folge einer sehr geringen Effizienz.
Folgende Differenzierung der Heizlast wurde vom Forum Wohnenergie in den letzten Jahren entwickelt und in der Praxis durch multivalente Wärmebereitstellungssysteme aus Erneuerbaren Energien umgesetzt:
Gemäßigte Heizperiode: Minimallast während der Übergangszeiten (Unterschreiten der Heizgrenztemperatur),
Mittlere Heizperiode: Durchschnittliche mittlere Heizlast (30 – 70% der Gesamt-Heizlast),
Absolute Heizperiode: Spitzenlast für den Auslegungsfall (100% der Gesamt-Heizlast).
Dieser Differenzierung werden für jedes Gebäude genaue Temperaturbereiche zugeordnet, die natürlich abhängig sind von der energetischen Qualität der thermischen Hülle und vor allem der Wärmespeicherkapazität des Gebäudes mit seinen spezifischen Baustoffen und -materialien. Wobei Letzteres leider noch immer sehr unterschätzt wird.

Heizgrenztemperatur
Wesentlich hierfür ist die Heizgrenztemperatur, die angibt, ab welch einer Außentemperatur überhaupt Wärmebedarf, bzw. eine Heizlast entsteht. Hier lässt sich das große Spektrum dergestalt erkennen, wenn man ein Bestandsgebäude betrachtet, wo die Heizgrenztemperatur schon bei 18°C in die gemäßigte Heizperiode eintreten kann und bei einem Passivhaus erst ab 6°C Außentemperatur.
Diesen komplexen thermo-dynamischen Tatsachen gilt es unbedingt Rechnung zu tragen, wenn man eine nachhaltige Wärmeversorgung für Gebäude erzielen möchte.

Lastprofile als Planungsgrundlage
Betrachtet man ein Gebäude nach der oben genannten Differenzierung der Heizperiode, ergibt sich daraus resultierend ebenfalls eine Reduzierung der Heizlast, was wesentlich für die Wärmebereitstellung bzw. Wärmeerzeugung ist.
Nimmt man die errechnete Gesamt-Heizlast als Orientierungsgröße, bedeutet dies eine Nenn-Wärmeleistung von 6 Kilowatt bereitstellen zu müssen. Dies führt uns bezüglich einer photovoltaischen Lösung jedoch sehr schnell an die Grenzen und alle weiteren Überlegungen drohen zu scheitern, weil man 10% nicht abdecken kann.
Geht man aber mit der Natur, d.h. mit unserer Klimazone und dem tatsächlichen praktischen Wärmebedarf, der durch eine entsprechende Heizlast abzudecken ist, und wendet sich der gemäßigten Heizperiode zu, die immerhin etwa ein Drittel der Gesamt-Heizlast ausmacht, stellt man fest, dass diese Wärmeleistung schon mit einer guten Kleinst-Wärmepumpe zu realisieren ist. Die benötigt bei einer Leistungszahl von 3,0 lediglich 700 Watt elektrische Leistung. Dies aber freilich Tag und Nacht.
Wendet man sich der mittleren Heizperiode zu, bedeutet die elektrische Leistungsaufnahme knapp 1,5 Kilowatt. Wenn es dann im tiefen Winter tatsächlich zapfig wird (was statistisch an 10 Tagen im Jahr so ist) wird es mit gut 2 Kilowatt schon schwieriger, besonders wenn die Sonne ausbleibt und somit auch die passive Solarnutzung.

Elektrische Wärmeerzeuger
Als elektrische Wärmeerzeuger zur Wohnwärmeversorgung (ohne Warmwasser) steht die Wärmepumpentechnologie klar an erster Stelle, auch wenn im Bannkreis des SmartGrid wohl auch wieder die alten Kamellen wie Nachtspeicheröfen oder anderer prähistorischer Unsinn ein Wiedererstarken erleben soll. Mehr noch – die Energieeffizienz der Arbeitsweise von Wärmepumpen ist gefordert, denn die sogenannte Arbeitszahl bekommt über den schlichten Primärenergiebedarf hinaus hier plötzlich eine ganz andere Bedeutung. Sie sagt uns nämlich, was wir mit unserem dezentral erzeugten und gespeicherten Strom anstellen können, und plötzlich genügen uns etwa 1,5 Kilowatt sogar für die absolute Heizperiode.
Fraglos ist eine Luft-Wasser-Heizungswärmepumpe (in monoenergetischer Betriebsweise) eine suboptimale Lösung, auch wenn sie in letzter Zeit einen regelrechten Boom erlangt, was im Sinne der Netzbetreiber nur allzu verständlich ist. Erdwärme wird sich in diesem Kontext mit nachhaltigen Technologien durchsetzen. Luft-Wasser-Heizungswärmepumpen eignen sich nach nachhaltigen Aspekten vielmehr für eine bivalente Betriebsweise, wo sie ihre Stärke voll ausspielen kann.

Differenzierung der Gebäude und Nutzung
Natürlich ist es auch wichtig, zwischen den Gebäuden und deren Nutzung im Detail zu unterscheiden. Während sich in einem Wohngebäude Menschen Tag und Nacht aufhalten, wird ein Nichtwohngebäude in der Regel nur tagsüber genutzt. Das bedeutet in der Anforderung, dass diesbezüglich keine Wohnwärme zum stetigen Aufenthalt notwendig ist, vielmehr aber eine Auskühlung verhindert werden muss. Es kann also mit geringfügigen Temperaturschwankungen gerechnet werden. Dabei spielen natürlich die Wärmespeicher­eigenschaften der Baukonstruktion eine bedeutende Rolle und können in die Gesamtbetrachtung mit aufgenommen werden.

Fazit
Möchte man mit dezentral erzeugter elektrischer Energie aus Photovoltaik oder Kleinst-Windkraft die Heizlast eines Gebäudes besorgen, muss man sich sowohl mit dem spezifischen Gebäude, als auch mit der Heizlast, der Heizgrenztemperatur und der Differenzierung der spezifischen Heizperiode für das Gebäude auseinandersetzen. Dabei scheint eine erdgekoppelte Wärmepumpe mit einem intelligenten Speichersystem die erste Wahl. Und wem dies zu unsicher ist, dem bleibt wie von alters her noch ein Holzofen im Wohnraum für die krasseste Spitzenlast und als Notheizung überhaupt.

Autor: Frank Hartmann