Energieeffizienz im Detail Einsparungen in Wärmeerzeugung, -verteilung und -übergabe

Selbst die fortschrittlichste Zentralheizung mit Umwälzpumpe am Wärmeerzeuger und Thermostatventilen an Heizkörpern bzw. in den Verteilern von Flächenheizungen bietet noch ein erhebliches Energiesparpotenzial. Denn unabhängig vom Bedarf wird ständig heißes Wasser durch das Rohrsystem gepumpt und erst durch die Thermostatventile wieder gedrosselt. Die Vorlauftemperatur wird – ebenfalls ohne Rücksicht auf den tatsächlichen Bedarf – in Abhängigkeit von der Außentemperatur über die Heizkurve geregelt.


Bild 2: Ein ganz wichtiger Technologiesprung auf dem Weg zu „Wilo-Geniax“ war die Entwicklung sehr kleiner, aber dennoch leistungsfähiger und vor allem auch zuverlässiger Miniaturpumpen für die Installation an den Heizkörpern bzw. in den Verteilern von Flächenheizungen. Sie sind nicht größer als ein herkömmliches Thermostatventil.

Im Gegensatz zu einer solchen „Angebotsheizung“ handelt es sich bei „Wilo-Geniax“ um eine deutlich flexiblere „Bedarfsheizung“ (Bild 1). Hier kommen Miniaturpumpen an den Heizkörpern (Bild 2) zum Einsatz, die nur bei Bedarf Heizwasser transportieren – und dies auch nur genau dorthin, wo es erforderlich ist. Die neu entwickelten Pumpen mit einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 1 Watt zeichnen sich durch die von Wilo-Hocheffizienzpumpen bekannte, stromsparende EC-Motorentechnologie sowie durch geringe Baugröße und hohe Robustheit aus. Der „Geniax“-Server (Bild 3) steuert den Wärmeerzeuger und die Pumpen bedarfsgerecht, er passt die maximal notwendige Vorlauftemperatur an den tatsächlichen Wärmebedarf an. Die Regelungsintelligenz hält zudem das Heizungssystem jederzeit im hydraulischen Optimum und macht es insgesamt präziser, schneller und energieeffizienter.


Bild 3: Der „Geniax“-Server sammelt Soll- und Istwertdaten aus den Raumbediengeräten, verwaltet Zeitprofile und die Regelung der Raumtemperaturen und übernimmt die Ansteuerung der Pumpen über die Pumpenelektroniken. Über die Schnittstelle zum Wärmeerzeuger stimmt er die Vorlauftemperatur auf den Wärmebedarf der Räume ab.

Primär wurde „Wilo-Geniax“ für konventionelle Zentralheizungen, d.h. Zweirohrsysteme mit Flächen- oder Radiatorenheizungen mit bis zu 100 l/h pro Heizkreis entwickelt. Das System arbeitet mit allen gängigen Wärmeerzeugern, wie zum Beispiel Gas- oder Pelletheizungen und auch Wärmepumpen. Einsatzbereiche sind Neu- und Bestandsbauten aller Art. Das Spektrum reicht von allen Wohngebäudearten über Schulen, Hotels und Krankenhäuser bis hin zu Büro- und Verwaltungsgebäuden.

Bild 4: Die Einstellung von Heizzeiten und Temperaturen erfolgt über Raumbediengeräte. Hiermit lassen sich raumindividuell Temperaturen sowie Tages- und Wochenprofile programmieren. So können beispielsweise berufsbedingte Abwesenheiten und unterschiedliche Raumnutzungen im Tagesverlauf berücksichtigt werden.

Die Einstellung von Heizzeiten und Temperaturen erfolgt über Raumbediengeräte (Bild 4). Hiermit lassen sich raumindividuell Temperaturen sowie Tages- und Wochenprofile programmieren. So können beispielsweise berufsbedingte Abwesenheiten und unterschiedliche Raumnutzungen im Tagesverlauf berücksichtigt werden.

Erhebliche Heizenergieeinsparungen
Mit „Wilo-Geniax“ trägt innovative Pumpentechnologie erstmals auch zur Senkung des Heizenergiebedarfs eines Gebäudes bei. Im Durchschnitt beträgt die Einsparung 20% gegenüber konventionellen, hydraulisch abgeglichenen Systemen mit Thermostatventilen. Sie wird durch eine bedarfsorientierte Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers, eine Reduzierung der Heizdauer durch bedarfsgerechte Regelung sowie die Vermeidung von Temperaturschwankungen und den Entfall von Drosselverlusten erzielt (Bild 5).
Ermittelt wurden diese Einsparpotenziale in umfassenden Testreihen, die Wilo gemeinsam mit der TU Dresden durchgeführt hat. So kommt das Dezentrale Pumpensystem bereits in einer Reihe von Einfamilienhäusern, Mehrfamilienhäusern und Nutzimmobilien mit verschiedenen Dämmstandards, mit Radiatoren und mit Fußbodenheizungen zum Einsatz. Die Objekte werden von den Wissenschaftlern zum Teil seit mehreren Jahren begleitet. Parallel hierzu hat die TU Dresden detaillierte Gebäude- und Anlagensimulationen erstellt, um die Messergebnisse abzusichern.


Bild 5: Die TU Dresden konnte für den Heizenergieverbrauch je nach Gebäudeart und Gebäudealter Einsparpotenziale zwischen 17% (Mehrfamilienhaus Altbau) und 24% (Bürogebäude Neubau) im Vergleich zum konventionellen Heizungssystem ermitteln.

Es wurden je nach Gebäudeart und Gebäudealter verschiedene Einsparpotenziale im Vergleich zu hydraulisch abgeglichenen konventionellen Systemen ermittelt:

• Einfamilienhaus Neubau: 22%,
• Einfamilienhaus Altbau: 20%,
• Mehrfamilienhaus Neubau: 20%,
• Mehrfamilienhaus Altbau: 17%,
• Bürogebäude Neubau: 24%.

Inzwischen wurde – in den ersten Monaten der Heizsaison 2009/10 – eine Langzeit-Vergleichsmessung durch das Fraunhofer Institut für Bauphysik in Holzkirchen durchgeführt. Sie belegt, dass sich in einem Einfamilienhaus mit „Wilo-Geniax“ 20% Heizenergieeinsparung und 50% Stromeinsparung beim Pumpenbetrieb im Vergleich zu einem „idealen“ konventionellen System“, d.h. einem identischen Haus mit hydraulisch abgeglichenen Thermostatventilen erzielen lassen. Die durch Fraunhofer-IBP nachgewiesenen Einsparpotenziale wurden Anfang März 2010 durch den TÜV Rheinland zertifiziert (Bild 6).


Bild 6: Der TÜV Rheinland hat die im Rahmen der Langzeit-Vergleichsmessungen ermittelten Einsparpotenziale von 20% beim Heizenergieverbrauch und 50% beim Stromverbrauch durch das Dezentrale Pumpensystem offiziell zertifiziert.

Legt man die Ergebnisse einer VDMA-Studie zum Energiesparpotenzial von hydraulisch abgeglichenen im Vergleich zu nicht abgeglichenen Heizungssystemen zugrunde, können die Einsparungen durch „Wilo-Geniax“ in der Praxis sogar um bis zu 15% höher ausfallen. Denn ein fehlender hydraulischer Abgleich zählt zu den häufigsten Mängeln in Heizungsanlagen, dies treibt jedoch den Heizenergieverbrauch unnötig in die Höhe.


Bild 7: Das Energiesparpotenzial von „Wilo-Geniax“ beruht unter anderem auf einer bedarfsgeführten Vorlauftemperaturregelung, durch die sich eine Verringerung der durchschnittlichen Systemtemperaturen und damit eine Reduktion der Verteilverluste erzielen lässt. Bei Brennwerttechnik verbessert sich darüber hinaus der Nutzungsgrad im Vergleich zur konventionellen Lösung (Bilddarstellung für ein ausgewähltes Beispiel).

Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Gebäudearten erklären sich dabei unter anderem aus den unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Gebäude und ihrer Nutzung sowie den spezifischen Möglichkeiten einer Vorlauftemperaturabsenkung. Im Neubau bewegt sich die Bezugsgröße für Heizenergieeinsparungen auf einem deutlich niedrigeren Niveau. Daher ist die relative Einsparung dort höher als im Altbau, die Kosten lassen sich jedoch im Altbau stärker reduzieren.
Einspareffekte gibt es sowohl in der Wärmeerzeugung als auch in der Wärmeverteilung und -übergabe. Einer der Gründe ist die ausschließlich am tatsächlichen Bedarf orientierte Vorlauftemperaturregelung, durch die sich eine Verringerung der durchschnittlichen Systemtemperaturen und damit eine verbesserte Brennwertnutzung im Vergleich zur konventionellen Lösung erzielen lässt (Bild 7). Dreh- und Angelpunkt ist dabei der „Geniax“-Server. Er sammelt Soll- und Istwertdaten aus den Raumbediengeräten, verwaltet Zeitprofile und die Regelung der Raumtemperaturen und übernimmt die Ansteuerung der Pumpen über die Pumpenelektroniken. Über die Schnittstelle zum Wärmeerzeuger stimmt er die Vorlauftemperatur auf den Wärmebedarf der Räume ab. Die Verbindung zwischen Pumpen und Regelungselementen stellt ein Bussystem sicher, das auch die Stromversorgung gewährleistet (Bild 8).


Bild 8: Das Schaubild zeigt den hydraulischen Teil der Heizungsanlage und den Informationskreislauf zwischen den Komponenten des „Wilo-Geniax“-Systems. Die Verbindung zwischen Pumpen und Regelungselementen stellt ein Bussystem sicher, das auch die Stromversorgung gewährleistet.

Höhere Effizienz in der Wärmeerzeugung
Im Gegensatz zur witterungsgeführten Regelung berücksichtigt das Dezentrale Pumpensystem, dass vielfach aufgrund von solaren Gewinnen und inneren Lasten (Wärmeabgabe z.B. von Personen, Geräten und Beleuchtung) eine niedrigere Vorlauftemperatur zur Deckung der Heizlast ausreicht. Hierdurch werden auch die Wärmeverluste in Wärmeerzeuger und Rohrnetz reduziert. Dabei ist der relative Anteil von Wärmegewinnen an der Deckung von Wärmeverlusten in gut gedämmten Neubauten wesentlich größer als in Altbauten. Besonders hoch ist er in Bürogebäuden wegen des typischerweise größeren Fensterflächenanteils und der höheren Belegungsdichte mit Personen und Geräten.
In der Wärmeerzeugung ist zudem eine erheblich verbesserte Brennwertnutzung möglich. Vor allem in Neubauten steigert sich durch die bedarfsgeführte Vorlauftemperaturregelung die Effizienz des Wärmeerzeugers deutlich im Vergleich zur witterungsgeführten Regelung. Die größten Einsparungen in der Wärmeerzeugung gibt es in neuen Einfamilienhäusern. Denn hier wird der Wärmeerzeuger oft anhand der zur Warmwasserbereitung erforderlichen Leistung bemessen und ist damit für den Heizbetrieb überdimensioniert. Als Folge ist ein modulierender Betrieb des Wärmeerzeugers über lange Zeiträume nicht möglich, weil die aktuelle Leistung unterhalb der Modulationsgrenze liegt.
Mit „Wilo-Geniax“ ist es möglich, diese für die Brennwertnutzung ungünstigen Randbedingungen zu kompensieren. Die reduzierte Vorlauftemperatur führt zu geringeren Abstrahlungsverlusten und einer besseren Brennwertnutzung durch Absenkung des Temperaturniveaus und einer geringeren Zahl von Brennerstarts.
Die relativen Einsparpotenziale für die Wärmeerzeugung sind im Einfamilienhaus am größten, da in Mehrfamilienhäusern und in Bürogebäuden im Jahresmittel keine so hohe durchschnittliche Absenkung der Vorlauftemperatur am Wärmeerzeuger erreicht werden kann. Denn durch die größere Ausdehnung der Rohrnetze kühlt sich dort das Heizmedium auf dem Weg zum Heizkörper stärker ab.
Im schlechter gedämmten Altbau spielt das Dezentrale Pumpensystem seine energetischen Stärken mehr in der Wärmeverteilung und vor allem der -übergabe aus.
Eine deutliche Effizienzsteigerung in der Wärmeerzeugung ist nicht nur in konventionellen Heizsystemen, sondern beispielsweise auch in Wärmepumpenanlagen möglich. So lässt sich in einer gängigen Wärmepumpe die Leistungszahl COP (Coefficient Of Performance) durch Reduzierung der Vorlauftemperatur von 40°C auf 35°C um rund 13% steigern (siehe Beispiel in Bild 9).


Bild 9: Erhebliche Energieeinsparungen in der Wärmeerzeugung bietet „Wilo-Geniax“ auch in Verbindung mit Wärmepumpen. So lässt sich im gezeigten Beispiel durch Reduzierung der Vorlauftemperatur von 40 °C auf 35 °C die Leistungszahl COP eines gängigen Wärmepumpenmodells von 3,6 auf 4,1 verbessern.

Reduzierung der Verluste in der Wärmeverteilung
Die bedarfsgeführte Absenkung der Vor-lauftemperatur durch „Wilo-Geniax“ führt zu einer Reduzierung des Temperaturniveaus auch der Verteilleitungen und ermöglicht hier ebenfalls ein hohes Einsparpotenzial. Denn selbst bei guter Dämmung nach EnEV-Vorgaben entstehen in Rohrleitungen Wärmeverluste, die umso größer sind, je höher der Temperaturunterschied zwischen Heizwasser und Umgebungsluft ist. Da mit „Wilo-Geniax“ die Vorlauftemperatur im Neubau häufiger und stärker abgesenkt werden kann als im Altbau (s.o.), führt die Absenkung des Temperaturniveaus der Verteilleitungen auch dort zu hohen Einsparpotenzialen.
Hierzu trägt nicht zuletzt die raumindividuelle Temperaturregelung bei. Denn in Heizungssystemen ohne Einzelraumregelsystem sind die Möglichkeiten eines Abschaltbetriebes aufgrund fehlender Rückkopplung begrenzt. Während des Heizbetriebes entsteht dort zwangsläufig ein Mehraufwand der Wärmeverteilung, selbst wenn die Wärme an den Heizkörpern nicht abgenommen wird.
Während der Nichtnutzungszeiten ermöglicht „Wilo-Geniax“ insbesondere in Neubauten, den Wärmeerzeuger häufig sogar ganz abzuschalten solange die Raumtemperaturen oberhalb der Stütztemperatur liegen. In diesen Zeiträumen entstehen bis auf die Auskühlung der Rohrleitungen keine weiteren Verteilungsverluste. In Bürogebäuden werden die Verteilungsverluste durch „Wilo-Geniax“ aufgrund der längeren Absenkphasen und der gleichartigen Nutzungsprofile der Räume besonders stark reduziert.

Wärmeübergabe: Einsparungen durch optimierten Absenkbetrieb
Zur Absenkung auf eine definierte Raumtemperatur während der Nichtnutzung in den Nachtstunden oder in Abwesenheitszeiten ermöglicht „Wilo-Geniax“ eine verzögerungsfreie Reduzierung der Wärmeabgabe in den Raum. Beim konventionellen Heizsystem geschieht dies indirekt durch Absenkung der Vorlauftemperatur, was jedoch durch automatisches Öffnen der Thermostatventile wieder teilweise kompensiert wird. „Wilo-Geniax“ hält die gewünschte Raumtemperatur bis zum Ende der Absenkzeit. Der Server steuert den Wärmeerzeuger und schaltet ihn ab, so lange die Räume auskühlen.
Vor diesem Hintergrund ergeben sich durch „Wilo-Geniax“ weitere Einspareffekte bei der Wärmeübergabe in den Raum. So ermöglicht das Dezentrale Pumpensystem eine besonders präzise Regelung, eine optimale Ausnutzung von Wärmegewinnen durch schnelles Reagieren des Reglers und eine automatische Heizungsunterbrechung bei der Fensterlüftung. Darüber hinaus bietet es komfortable Möglichkeiten zur Vorgabe von Heizzeiten sowie eine selbstlernende Aufheiz- und Heiz-Ende-Optimierung, die ebenfalls verbrauchsmindernd wirken.


Bild 10: Durch „Wilo-Geniax“ ergeben sich weitere Einspareffekte bei der Wärmeübergabe in den Raum. Wo während der Nichtnutzung die Temperatur z.B. von 22°C auf 18°C abgesenkt wird, verringert sich der Energieverbrauch für die Beheizung des entsprechenden Raums deutlich.

Dort, wo während der Nichtnutzung die Temperatur z.B. von 22°C auf 18°C abgesenkt wird, verringert sich der Energieverbrauch für die Beheizung des entsprechenden Raums deutlich (siehe Beispiel in Bild 10). Die raumindividuelle Temperaturabsenkung durch „Wilo-Geniax“ erfolgt dabei besonders schnell und effizient, während bei zentraler Vorlauftemperaturabsenkung durch ein konventionelles Heizsystem die Thermostatregelventile dem Raumtemperaturabfall zunächst durch stärkeres Öffnen entgegenwirken.
Besonders schnell reagieren mit „Wilo-Geniax“ ausgestattete Heizungen in kleineren Gebäuden. In Mehrfamilienhäusern und Bürogebäuden ist das Rohrnetz weiter ausgedehnt und verzweigt sowie von durchschnittlich größerer Nennweite. Die damit verbundene höhere Rohrwärmeabgabe bewirkt in Nichtnutzungszeiten mit Absenkbetrieb eine langsamere Raumauskühlung (bei gleichem baulichen Wärmeschutz). Dabei ist bei Bürogebäuden im Vergleich zu Wohngebäuden eine größere Einsparung seitens der Wärmeübergabe möglich. Denn in Bürogebäuden lassen sich nutzungsbedingt längere Absenkphasen (nachts und zusätzlich an Wochenenden) realisieren.
Im Altbau ist der Einspareffekt von „Wilo-Geniax“ bei der Wärmeübergabe besonders hoch. Denn die präzise, schnelle und exakte Temperaturabsenkung bei Nichtnutzung reduziert die ansonsten hohen Transmissions- und Lüftungswärmeverluste schlecht gedämmter, nicht optimal abgedichteter Gebäudehüllen in diesen Zeiten erheblich.

Hydraulischer Abgleich
Ein weiterer auch unter energetischen Aspekten entscheidender Vorteil des Dezentralen Pumpensystems „Wilo-Geniax“ ist, dass bereits im Rahmen der Konfiguration der Heizungsanlage ein automatischer hydraulischer Abgleich erfolgt. Wie im konventionellen System wird auch hier aufgrund der Heizlastberechnung der Massenstrom für die Heizflächen und der Druckverlust bestimmt. Auf dieser Basis werden die Drehzahlen in der Konfiguration so aufeinander abgestimmt, dass stets ein hydraulisch optimales System realisiert wird. Diese Vorgaben werden dann vom System automatisch umgesetzt, die Heizflächen präzise mit der benötigten Wassermenge versorgt. Energieverluste durch hydraulische Mängel können so wirksam verhindert werden. Mit der automatischen Realisierung des hydraulischen Abgleichs wird die Anforderung der VOB Teil C erfüllt.

Bilder: Wilo

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