IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 10/1997, Seite 106 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Heizsysteme im Niedrigenergiehaus

Vor der Energieeinsparung steht die Planung

Ansgar Schrode* Teil 2

Im ersten Teil befaßte sich der Autor mit dem Einsatz von Heizkesseln in Niedrigenergiehäusern. Er untersuchte die Effizienz überdimensionierter Kessel, beschrieb Vor- und Nachteile elektrischer und hydraulischer Regelungsvarianten und ging ausführlich auf die Konstruktionen von Brennwertgeräten mit den jeweiligen Auswirkungen auf den Nutzungsgrad ein. Teil 1 erschien in IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 9/97. In dem nun vorliegenden 2. Teil prüft er kritisch den Einsatz von Strom als Hilfsenergie bei Heizkesseln. Der Autor beantwortet die Fragen, inwieweit die Systemtemperatur Einfluß auf den Jahresnutzungsgrad eines Brennwertkessels nimmt und ob sich Festbrennstoffkessel für Niedrigenergiehäuser eignen. Schließlich prüft er, ob Wärmepumpen in Lüftungsanlagen den Heizenergieverbrauch senken.

Strom als Hilfsenergie

Strom für Umwälzpumpen und andere elektrische Aggregate wurde bisher vernachlässigt. Im Gegensatz zu früher ist inzwischen der Wärmebedarf gerade von Niedrigenergiehäusern und somit der Brennstoffverbrauch gegenüber dem Stromverbrauch für Umwälzpumpen und dgl. stark zurückgegangen. Ferner fällt der Stromverbrauch auch deshalb stärker ins Gewicht, weil bei vielen Brennwertgeräten stärkere Umwälzpumpen benötigt werden. In Extremfällen wie z.B. Niedrigenergie-Mehrfamilienhäuser mit Etagenheizungen kann die elektrische Energie (auf Primärenergie bezogen) etwa die Hälfte des Brennstoffverbrauchs ausmachen.

In bisher keinem Meßverfahren wurde der Stromverbrauch für Umwälzpumpen, Gebläse, Zündung, Regelung u.a. mit erfaßt, weder in DIN 4702 Teil 8 oder der Richtlinie für das europäische CE-Zeichen noch bei der Vergabe des Umweltengels. Der BUND (Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland e.V.) schlägt deshalb vor, bei den hier erwähnten Meßverfahren den Stromverbrauch bei einem genormten Heiznetz unter genormten Bedingungen mitzubestimmen. Dieser sollte sowohl getrennt ausgewiesen als auch mit dem Faktor 2,7 (auf Primärenergie zurückgerechnet) in den Wirkungsgrad eingerechnet werden. Gerade bei kleinen Leistungen sollen die Messungen auch bei 100% Überdimensionierung erfolgen.

Tabelle 1: Jahresnutzungsgrade von Niedertemperaturheizkesseln einschließlich Warmwasserbereitung (ohne Speicherverluste). Randbedingungen: 8% Abgasverlust, mittlere Kesseltemperatur 50C, Bereitschaft 8000 Stunden pro Jahr, NEH: Niedrigenergiehaus mit 40 kWh/(m2 a)

überdimensionierter Gebläsekessel
(Kesselleistung 18 kW bei ca. 8 kW Normwärmebedarf)

84,7%

richtig dimensionierter Gebläsekessel
(Kesselleistung 18 kW bei ca. 15 kW Normwärmebedarf)

89,4%

Um den Markt bzgl. der zu erwartenden Jahresnutzungsgrade von Wärmeerzeugern transparenter zu gestalten, scheint der Vorschlag des BUND sehr praktikabel zu sein. Demnach soll von jedem Wärmeerzeuger unter normierten Bedingungen ein Jahresnutzungsgrad unter Berücksichtigung sämtlicher Stillstandsverluste gemessen und veröffentlicht werden. Ein Verfahren hierzu ist in DIN 4702 Teil 8 bereits geregelt. Ergänzend hierzu schlägt der BUND vor, sämtliche Hilfsenergie wie Stromverbrauch für Verbrennungsluft oder Abgasgebläse, Ölvorwärmung und dergleichen sowie den Stromverbrauch, den eine Umwälzpumpe benötigt, um ein genormtes Heiznetz ein Jahr lang zu beheizen, mit in die Rechnung einzubeziehen. Dieser Stromverbrauch soll einerseits separat angegeben und andererseits mit dem Faktor 2,7 in den Jahresnutzungsgrad mit einberechnet werden. Bietet ein Hersteller Zusatzkomponenten wie Regelungen (z.B. mit unterschiedlicher Schaltdifferenz) oder Zubehör wie Mischer, Pufferspeicher und dgl. an, so kann unter diesen Umständen ebenfalls der zu erwartende Jahresnutzungsgrad bestimmt werden, indem man mißt, welche Wärmemenge der Heizkessel samt dem jeweiligen Zubehör an das genormte Heiznetz abgibt und wieviel Strom er hierzu benötigt.

Ferner schlägt der BUND vor, unter diesen Bedingungen die jährlichen Emissionen zu bestimmen und zu veröffentlichen. Jahresnutzungsgrad und Emissionswerte sollten hier für die Variante einer 100%igen Überdimensionierung bestimmt werden, da dies viel eher der Praxis entspricht. In der Regel wird nicht der nächstkleinere, sondern der nächstgrößere Heizkessel ausgewählt. Zudem sind relativ viele Räume vorhanden wie z.B. Hobbyraum und Gästezimmer, auf die die Leistung des Kessels ausgelegt sein muß, die jedoch kaum beheizt werden. Ferner reduzieren die internen Wärmequellen und Sonneneinstrahlung den Wärmeverbrauch im Niedrigenergiehaus relativ stark, nicht jedoch den max. Wärmebedarf.

Würde das vorgenannte Berechnungsverfahren konsequent angewandt, so würde die Diskussion um Überdimensionierung, Pufferspeicher oder den hier im Zusammenhang mit der Brennwerttechnik angesprochenen Problemen sehr schnell versachlicht werden.

Tabelle 2: Jahresnutzungsgrade von Brennwertkesseln ohne Warmwasserbereitung. Randbedingungen: volle Auslastung, Kessel ohne Mindestumlaufmenge und gute Dämmung, Leistung ca. 20 kW

Heizwassertemperatur

CO2-Gehalt

Jahresnutzungsgrad

80/60C

10%

100,0%

70/50C

10%

101,6%

60/40C

10%

102,8%

40/30C

10%

104,0%

60/40C

6%

97,8%

zum Vergleich: guter konventioneller Kessel

92,0%

Zusammenhang zwischen Heizwassertemperatur und Jahresnutzungsgrad

Welche Heizwassertemperaturen sind bei den jeweiligen Wärmeerzeugern sinnvoll? Wie aus den Tabellen 2 und 3 ersichtlich, spielt bei gut gedämmten Kesseln die Auslegung der Heizwassertemperatur bzgl. des Jahresnutzungsgrades kaum eine Rolle, so daß spezielle Niedertemperaturauslegungen aus diesem Grunde nicht zu vertreten sind. Auch wenn im Niedrigenergie-Einfamilienhaus bei verschiedenen Auslegetemperaturen Unterschiede im Jahresnutzungsgrad von fast 4% entstehen, so ist dies absolut gesehen sehr wenig Energie und fällt nur dadurch sehr stark ins Gewicht, weil wenig Wärme verbraucht wird. Bei voll ausgelasteten Heizkesseln reduziert sich der Unterschied in dem in der Praxis relevanten Bereich (Auslegung auf max. 80 bzw. 55C) auf ca. 1%.

Gegenüber der 60/40C-Auslegung bringt die 40/30C-Auslegung einer Fußbodenheizung nicht mehr soviel energetische Vorteile, sofern Brennwertgeräte mit niedrigem Luftüberschuß eingesetzt werden. Nach den Erfahrungen des Autors erhöht eine Fußbodenheizung generell den Energieverbrauch eines Niedrigenergiehauses um 30 bis 50%, da sie nur ein relativ träges Regelungsverhalten zuläßt, welches den schlagartigen Wärmeanforderungen im Niedrigenergiehaus nicht nachkommen kann. Man muß sich hierbei im klaren sein, daß interne Wärmequellen (Abwärme von Personen, elektrischen Geräten usw.) sowie Sonneneinstrahlung oft sofort die gesamte Heizlast übernehmen können, da sie im Verhältnis zum Wärmebedarf viel stärker ins Gewicht fallen als bei normalen Häusern. Ferner erhöht sich durch die Beheizung des Estrichs die Temperaturdifferenz gegenüber Erdreich oder Kellerräumen, was ebenfalls mit zu diesem Mehrverbrauch beiträgt. Insofern steht die niedrige Heizwassertemperatur bzgl. Einsparung von Kessel- und Verteilungsverlusten sowie noch besserer Kondensatausbeute bei Brennwertgeräten einer Fußbodenheizung in keinem Verhältnis zu ihrem Mehrenergieverbrauch durch mangelnde Regelungsfähigkeit und zusätzlichen Verlusten gegen Keller oder Erdreich.

Tabelle 3: Jahresnutzungsgrade von Niedertemperaturheizkesseln ohne Warmwasserbereitung, überdimensioniert. Randbedingungen wie Tabelle 2, bei verschiedenen Heizwassertemperaturen

80/60C

86,1%

70/50C

88,0%

60/40C

88,5%

40/30C

90,4%

nicht überdimensioniert, Randbedingungen: wie Tabelle 1

80/60C

90,5%

40/30C

91,9%

Aus diesen hier dargestellten Zahlen wird ersichtlich, daß bei richtig dimensionierten Kesseln die Verbesserung des Wirkungsgrades durch niedrigere Auslegetemperaturen im Extremfall max. 1,4% beträgt. Es steht also in keinem Verhältnis, das Heizungssystem auf niedrige Heizwassertemperaturen auszulegen, um Abstrahlverluste des Kessels zu reduzieren. Vielmehr sollten sämtliche Schwachstellen im Rohrnetz innerhalb des unbeheizten Bereiches (Heizraum und Kellerräume) wie Armaturen, Flansche und alles, was darüber hinaus noch Wärmeverluste aufweist, optimal gedämmt werden. Auch wenn bei überdimensionierten Kesseln die Differenz auf über 4% steigt, so muß man sich im klaren sein, daß die Abstrahlverluste des Kessels dadurch nicht höher sind als im Falle der richtigen Dimensionierung, sondern sich diese relativ geringen Verluste nur verhältnismäßig stärker auswirken.

Auch der Stromverbrauch für Umwälzpumpen ist bei Fußbodenheizungen in der Regel deutlich höher, da zum einen die Rohrleitungslängen und der daraus resultierende Druckabfall höher ist und zum anderen höhere Massenströme für eine gleichmäßige Beheizung benötigt werden. Der Stromverbrauch von Umwälzpumpen ist nicht unerheblich. Wenn man bedenkt, daß eine Anschlußleistung von 1 W bei normalen Haushaltstarifen im Einfamilienhaus jährlich 1 DM Stromkosten verursacht und in Mehrfamilienhäusern die Strompreise für Heizungen bis zum Dreifachen ausmachen, sollte man bemüht sein, auf unnötige Stromverbraucher zu verzichten und Rohrnetze so zu gestalten, daß möglichst schwache Umwälzpumpen genügen.

Im Niedrigenergie-Einfamilienhaus ist es möglich, das Heiznetz so zu dimensionieren, daß man mit der schwächsten auf dem Markt erhältlichen Wechselstrompumpe mit ca. 25 W Leistungsaufnahme auskommt, was jährlichen Stromverbrauchskosten von ca. 25 DM entspricht. Es empfiehlt sich, zumindest die für den maximalen Druckabfall relevanten Stränge auf einen Druckabfall von höchstens 100 Pa/m auszulegen. Dadurch erhöhen sich die Wasserinhalte der Heizungsanlagen kaum. Ferner sollten Einrohrsysteme vermieden werden, welche heute in der Praxis nicht mehr preiswerter sind als Zweirohrsysteme und deutlich stärkere Umwälzpumpen benötigen sowie eine Herabsetzung der Pumpenleistung in der Übergangszeit nicht erlauben.

Auch elektrische Heizbänder anstelle von Zirkulationsleitungen sind sehr hohe Stromverbraucher, die in Mehrfamilienhäusern sogar mit sehr teuren Tarifen bezahlt werden müssen. Es gibt inzwischen zahlreiche Beispiele, wo durch räumliche Zusammenlegung von verschiedenen Naßräumen und genauer Dimensionierung der Warmwasserleitungen nicht nur in Einfamilien-, sondern auch in kleinen Mehrfamilienhäusern auf Zirkulationsleitungen verzichtet werden kann. Sollte in Einzelfällen der Wasserdruck zu gering sein, so können auch einfache Druckerhöhungsanlagen eingebaut werden. Der Stromverbrauch solcher Anlagen ist verschwindend gering gegenüber dem von elektrischen Rohrbegleitheizungen oder den Wärmeverlusten selbst von zeit- und temperaturgesteuerten Zirkulationsleitungen. Hierbei muß man sich im klaren sein, daß in Einfamilienhäusern selbst relativ gut gedämmte und zeit- sowie temperaturgesteuerte Zirkulationsleitungen bis zu 100 Liter Heizöl im Jahr benötigen.

Festbrennstoffkessel in Niedrigenergiehäusern

Feste Brennstoffe und Elektroheizungen belasten mit ihren Emissionen die Umwelt mehr als Öl- und Gasheizungen. Bei Kohle stehen für den Hausbrand in kleineren Einheiten noch keine umweltfreundlichen Feuerungsanlagen zur Verfügung. Holz sollte nicht im normalen Ofen, sondern im Holzvergaserkessel mit Pufferspeicher verbrannt werden. Hierbei lassen sich die Emissionen der Holzheizung reduzieren. Somit kann in Fällen, wo Holz zur Verfügung steht, eine Holzheizung für ein Niedrigenergiehaus in Erwägung gezogen werden. Es sollte sogar überlegt werden, ob auf zusätzliche Öl- oder Gasheizung mitsamt den hierfür notwendigen Investitionen verzichtet werden kann, zumal im Niedrigenergiehaus wesentlich weniger Energie verbraucht wird und sich die Heizperiode sehr stark verkürzt. In solchen Fällen bietet sich eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung an, damit im Sommer weder der Holzheizkessel in Betrieb genommen noch teurer Tagstrom eingesetzt werden muß. Auch wenn Solaranlagen im Einfamilienhaus in Verbindung mit Öl- oder Gasheizkesseln in der Regel nur noch maximal 200 l Heizöl oder 200 m3 Erdgas jährlich einsparen und sich deren Einsatz überhaupt nicht lohnt, so sind solche Anlagen in Verbindung mit einer Holzheizung eine sehr sinnvolle Ergänzung.

Der Pufferspeicher ist in diesem Fall ganz anders zu sehen als bei Öl- oder Gasheizkesseln, da sich selbst bessere Holzheizkessel nur über größere Bereiche regeln lassen, wenn die Verbrennungsluftzufuhr reduziert und damit der Schadstoffausstoß stark erhöht wird. Zur besseren Ausnutzung des Pufferspeichers empfiehlt es sich hierbei, die Heizwassertemperatur auf nicht mehr als 60C auszulegen.

Selbst bei sehr niedrigem Energieverbrauch sollte ein Niedrigenergiehaus nicht elektrisch beheizt werden, da elektrische Energie wesentlich teurer ist als Öl oder Gas und da sie die Umwelt wesentlich stärker belastet. Ein elektrisch beheiztes Niedrigenergiehaus erzeugt sogar mindestens soviel Emissionen wie ein normal oder relativ schlecht gedämmtes Haus in Verbindung mit einer durchschnittlichen Ölheizung.

Die Wärmepumpe als Kostensenker?

Auch elektrische Kleinwärmepumpen in Lüftungssystemen zur Wärmerückgewinnung sollen nicht eingesetzt werden, da sie sowohl die Emissionen als auch die Betriebskosten gegenüber einer Öl- oder Gasheizung erhöhen. Wenn man bei einer elektrischen Kleinwärmepumpe von Leistungsziffern von ca. 3,0 ausgeht und einen Öl- bzw. Gaspreis von 0,05 DM/kWh voraussetzt, dürfte die kWh Strom lediglich 0,15 DM kosten, damit bzgl. der Verbrauchskosten (ohne die Mehrinvestitionen zu berücksichtigen) Kostengleichheit gegeben ist. Der durchschnittliche Strompreis beträgt jedoch zur Zeit zwischen 0,20 und 0,30 DM inkl. Ausgleichsabgabe und Mehrwertsteuer. Es ist ohnehin fraglich, ob es überhaupt sinnvoll ist, über ein Lüftungssystem zu heizen, da in diesem Fall auch Schlafräume und dergleichen, die man vielleicht gar nicht beheizen möchte, automatisch mit beheizt. Es sind auch schon andere Fälle vorgekommen, in denen man, um eine hohe Heizleistung zu erreichen, die Zuluftmenge und damit die Luftwechselrate erhöht hat, was einerseits zu hohen Lüftungsverlusten und andererseits in Verbindung mit der zu hohen Luftwechselrate zu trockener Luft geführt hat.

Es empfiehlt sich also, Heizung und Lüftung dergestalt zu trennen, daß beispielsweise Heizkörper für die Beheizung sorgen und das Lüftungssystem ohne Nachheizung nur mit einem Plattenwärmetauscher zur Wärmerückgewinnung die Funktion der kontrollierten Lüftung übernimmt. Bei richtiger Planung solcher Anlagen besteht auch nicht die Gefahr, daß die nach dem Wärmetauscher noch relativ kühle Zuluft zu Zuglufterscheinung führt, zumal die Luftmengen einer richtig dimensionierten Anlage relativ gering sind.

Zusammenfassung

Im Niedrigenergie-Einfamilienhaus sind grundsätzlich bei allen Heizkesseln unabhängig von ihrer Dimensionierung geringfügig schlechtere Jahresnutzungsgrade zu erwarten. Auch kleiner dimensionierte Heizkessel können daran so gut wie nichts verbessern, da sie ähnliche Abstrahlverluste aufweisen wie die etwas größeren. In größeren Gebäuden (z.B. Mehrfamilienhäusern) werden wieder die sonst üblichen Jahresnutzungsgrade erreicht. Es wäre eher die Frage zu stellen, ob es sinnvoll ist, freistehende Einfamilienhäuser mit einzelnen Heizkesseln zu versorgen oder im verdichteten Flachbau über gemeinsame Wärmeerzeuger die Wärme bereitzustellen.

Die weitere Entwicklung muß bei der Verringerung der Verluste und Emissionen des Kessels bzw. Brenners ansetzen und nicht bei der Peripherie. Pufferspeicher können die Nachteile von Kesseln, die zu hohe Stillstandsverluste bzw. Emissionswerte aufweisen, nicht wieder ausgleichen. Auch im Niedertemperaturbereich ist eine optimale Dämmung des Kessels unumgänglich. Brennwertkessel sollten einen ausreichend dimensionierten Wasserinhalt besitzen, damit keine Mindestumlaufmenge erforderlich ist.

Generell ist bei der Brennwertnutzung ein niedriger Luftüberschuß (optimaler CO2-Gehalt) von Bedeutung, während Heizwassertemperaturen, die bei Heizkörpern in der Praxis üblich sind, relativ gute Jahresnutzungsgrade erreichen. Selbst Altanlagen mit relativ hohen Heizwassertemperaturen sind kein Hinderungsgrund für den Einsatz der Brennwerttechnik. Fußbodenheizungen, welche durch ihre Trägheit und zusätzliche Verluste gegen Keller und Erdreich den Energieverbrauch sogar erhöhen, sind für Brennwerttechnik nicht erforderlich.

Des weiteren sollte der Einsatz von Hilfsenergie wie Strom für Umwälzpumpen und dergleichen durch eine überlegte Rohrnetzplanung und Kessel mit geringen hydraulischen Widerständen auf ein Minimum reduziert werden.


* Ansgar Schrode: Geboren 1957 in Stuttgart, Fachhochschulstudium Fachrichtung Bauphysik in Stuttgart, seit 1982 selbständig als Ingenieur auf den Gebieten Bauphysik, Haustechnik und Energieberatung mit dem Schwerpunkt Niedrigenergiebauweise sowie Begutachtung von Schäden im Bereich der Bauphysik und Haustechnik einschl. Begutachten von Fällen mit überhöhtem Energie- bzw. Stromverbrauch. Ehrenamtlich tätig in Sachen Energieeinsparung beim BUND.


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