Elektrische Verbraucher in der Haustechnik - Selbstversorgung mit elektrischer Energie in Wohn- und Nichtwohngebäuden

Die moderne Haustechnik für ein Wohn- wie auch Nichtwohngebäude umfasst neben der Wärmeversorgung und Sanitärausstattung heute fast durchgängig auch Komponenten der Raumlufttechnik entsprechend des jeweiligen Nutzungsprofils. Sie unterscheidet sich im elektrischen Verbrauch nicht nur in Form von Hilfsenergie, sondern mit immer größer werdendem Bedarf an Endenergie.

Unterscheidung von Wohn- und Nichtwohngebäuden
Unter Wohngebäude sind Ein- und Mehrfamilienhäuser zu verstehen, aber auch Wohneinheiten im Mehrgeschosswohnungsbau. Beispielhaft steht hierfür das Einfamilienhaus mit einem Vier-Personen-Haushalt. Im Mehrgeschosswohnungsbau sind die Nutzflächen sicherlich kleiner, auch die Anzahl der Bewohner variiert eher nach unten, die Ausstattungen sind überschaubarer und komprimierter. Die Anforderungen sind jedoch sehr ähnlich und unterscheiden sich lediglich quantitativ.
Nichtwohngebäude sind ungleich komplexer zu erfassen. Büroeinheiten, Einkaufsmärkte, Verwaltungsgebäude und Ladengeschäfte sind da noch am unspektakulärsten in ihren Anforderungsprofilen. Allgemein lässt sich sagen, dass Nichtwohngebäude so definiert sind, dass Menschen darin zwar nicht wohnen, sich allerdings darin aufhalten. Also können auch Schulen, Kindertagesstätten usw. dazugezählt werden.
Die Veränderungen der sozio-kulturellen Strukturen diverser Wohnheime (und damit ist beileibe nicht nur das Seniorenheim gemeint) bis hin zu Mehrgenerationenhäusern verlangen dringend eine differenziertere Betrachtung, da sich in diesen Fällen die Typologien von Wohn- und Nichtwohngebäuden sehr oft überschneiden. Industrie- und Prozesstechnik sind hierbei ausgeschlossen und verlangen vielmehr eine Betrachtung als Sonderbauten.
Die große Gemeinsamkeit von Wohn- und Nichtwohngebäuden liegt allerdings darin, dass sie allesamt Energie und Ressourcen benötigen.  Um das grundsätzliche Potenzial an dezentralen Energieoptionen zu veranschaulichen, steht in diesem Beitrag der Wohnungsbau im Fokus. Selbstredend lassen sich daraus auch Möglichkeiten und Potenziale für den Nichtwohnungsbau ableiten.

Haustechnischer Bedarf an Hilfs- und Endenergie
Der Anteil an elektrischer Hilfsenergie für haustechnische Komponenten und Geräte ist im Verhältnis zum Endenergiebedarf sehr überschaubar und umfasst im Wesentlichen, Heizungs-Umwälzpumpen, Zirkulationspumpen, Stellglieder wie Umschalt- Verteil- und Thermostatventile. Der größte Verbraucher elektrischer Hilfsenergie war bis vor einigen Jahren im Wohnbereich sicherlich die Heizungsumwälzpumpe – allein durch ihre konstante Betriebsweise während der Heizperiode. Heute aber haben sich energieeffiziente, drehzahlgeregelte Umwälzpumpen für die Heizungsanlage durchgesetzt, die nur noch einen Bruchteil an elektrischer Energie benötigen. Während stufengeregelte Heizungs-Umwälzpumpen gerne 80 W und mehr verlangten, begnügt sich eine moderne Umwälzpumpe die meiste Zeit mit maximal 20 Watt, in der Praxis sogar deutlich weniger.
Da die Energiewende nicht nur eine Abdeckung von Hilfsenergie aus Erneuerbaren Energien verlangt, sondern konsequenterweise eine umfassende Versorgung mit Endenergie, wollen wir uns an dieser Stelle auch um der ungleich relevantere Endenergie widmen.
Die Wärme entsteht längst nicht mehr nur aus  Verbrennungsprozessen allein. Der Siegeszug der Wärmepumpentechnologie ermöglicht heute die Nutzung von Umweltwärme als zukunftsorientierte Alternative zur fossilen Verbrennung. Demzufolge lassen sich heute Wohnhäuser mit nur einem Energieträger haustechnisch vollkommen ausstatten: mit dezentral erzeugter elektrischer Energie.

Elektrische Lastgrößen der Haustechnik
Insbesondere bei der Wärmeerzeugung mittels Heizungswärmepumpen sind die größten Lasten zu erkennen. Auch bezüglich der notwendigen Nenn-Wärmeleistung unterscheiden sich die Lastanforderungen am deutlichsten. Ein energieeffizientes Einfamilienhaus für vier Personen, mit einer Wohnfläche von 150 m² und normaler Ausstattung sollte nicht mehr als 6 kW zu installierende Heizlast im Auslegungsfall benötigen. Je niedriger der Wärmebedarf, desto geringer ist der Bedarf an Endenergie und desto größer kann der Deckungsanteil einer elektrische Energie erzeugenden  Eigenanlage ausfallen. Bei einer Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung beispielsweise ist der Strombedarf deutlich niedriger als bei den altgewohnten Elektroboilern oder gar Durchlauferhitzern. Den niedrigsten Bedarf an elektrischer Endenergie weist die Raumlufttechnik in einem Wohnhaus auf. Der deutlich höchste Bedarf liegt bei einem elektrischen Durchlauferhitzer für mehrere Entnahmestellen –und das auch noch in einer sehr kurzen Zeit.
Weitere Unterschiede lassen sich in der Spannungsgröße – wie bei oben erwähntem Durchlauferhitzer – feststellen. Während die Heizungs-Wärmepumpe in der Regel 400 V/50 Hz verlangt, genügen einer Warmwasser-Wärmepumpe 230 V/50 Hz.  Diesbezüglich sollte man auch die Alternative betrachten: mit einem Elektro-Heizstab den Heizungsspeicher direkt zu erhitzen. Dadurch kann elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt und in der Wärmebereitstellung gespeichert werden. Die E-Heizstab-Variante verlangt jedoch eine Leistungsaufnahme von mindestens 3 kW und eine 400 V/50 Hz-Spannungsversorgung. Ein Wärmepumpenaggregat benötigt allerdings nur weniger als ein Drittel an zuzuführender elektrischer Leistung bei einer Spannungsversorgung von 230 V/50  Hz. Allein an diesem Beispiel drängen sich schon unterschiedliche Betrachtungsweisen im Kontext der Systemkonzeption auf, welche in Zukunft im Sinne der Nachhaltigkeit genauer untersucht werden müssen.
Die allermeisten elektrischen Verbraucher der Haustechnik sind allerdings mit 230 V/50 Hz durchaus zufrieden. Bei den Heizungswärmepumpen werden in Zukunft sicherlich auch leistungsstärkere Aggregate (>3 kW Nenn-Wärmeleistung) mit 230 V/50 Hz zu betreiben sein. Vielleicht würde sich in manchen Fällen auch eine Aufteilung der Kompressoren anbieten, um einen zwei-, bzw. dreistufigen Betrieb (Grundlast-Normallast-Spitzenlast) realisieren zu können. Ein weiterer Innovationsschub wird sich diesbezüglich mit hocheffizienten drehzahlgeregelten, also modulierenden Kompressoren einstellen.

Verhältnismäßigkeiten und Definition von Lastgrößen
Die Tabelle zeigt eine Übersicht elektrischer Verbraucher der Haustechnik für ein Wohnhaus mit ihren  unterschiedlichen Lastgrößen der elektrischen Leistungsaufnahme und der dazugehörigen Spannungsversorgung. Sie zeigt zudem eine grundsätzliche Zuordnung in Winter- und Sommerbetrieb und ganzjährigem Betrieb. Im Detail ist freilich weiter zu unterscheiden zwischen temporärem und konstantem Bedarf.
Konstante Betriebsarten, wie die Grundlüftung in der Raumlufttechnik, bieten eine solide Grundlastabdeckung. Spitzenlasten werden in der Wohnungslüftung sehr temporär, entsprechend der aktuellen Raumluftbelastung verlangt. Modulierende Leistungsbereiche von Kompressoren und Ventilatoren werden mit gleitenden Lasten betrieben, was sich natürlich auch auf die Stromaufnahme auswirkt. Dementsprechend sind sämtliche Leistungskennwerte mitnichten rein statisch, sondern vielmehr dynamisch zu betrachten.
Dies ist umso wichtiger, wenn man den Eigenanteil im Rahmen der Konzeptplanung möglichst präzise darstellen möchte. Man ist gut beraten zunächst von den Maximalwerten auszugehen. Ein modulierender, bzw. stufengeregelter Betrieb, wie er beispielsweise für eine Wohnungslüftung typisch ist, wird nur in der Spitzenlast – also bei Anwesenheit der Bewohner – die maximale Leistungsaufnahme der Ventilatoren fordern. Die meiste Zeit des Tages und in den Nachtstunden wird in den meisten Fällen eine Grundlüftung ausreichend sein, die weder volle Leistung noch volle Nennströme abverlangt.
Die Nennströme in Ampere (A) werden in den folgenden Detailartikeln dieser Serie mit den spezifischen Geräten und Aggregaten behandelt, da diese sich doch sehr produktspezifisch und entsprechend des Anwendungsfalls auswirken. Dennoch lässt sich schon an dieser Stelle sagen, dass die Raumlufttechnik mit ihren Geräten und Komponenten sich geradezu für eine Selbstversorgung aufdrängen, da die in der Tabelle dargestellten Geräte weniger als 1,0 Ampere Nenn-Strom benötigen. Selbst kompakte Wohnungslüftungsgeräte mit Wärmerückgewinnung benötigen kaum mehr als 1 A. Ein elektrisches Nachheizregister (Nennleistung: 1 kW) würde dann schon mit gut 4 A zu Buche schlagen.

Leistungsszenario einer Wohnungslüftung
Bei einer kontrollierten Wohnungslüftung mit WRG in einem Einfamilienhaus sollte man hinsichtlich der Ausstattung mit einer maximalen Leistungsaufnahme von bis zu 120 W rechnen. In Wohneinheiten des Mehrgeschosswohnungsbaus hingegen kommen in der Regel einfachere Lüftungssysteme zum Einsatz, die eine weitaus geringere Leistungsaufnahme (<80 W) fordern. Heute haben sich moderne, drehzahlgeregelte Ventilatoren nahezu durchgesetzt, die einen gleitenden, modulierenden Betrieb ermöglichen und nicht mehr Endenergie einfordern, als es die Anforderungen an die Raumluftqualität tatsächlich bedarfsgeführt verlangt.
Ebenso sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass auch etwaige Anlaufströme für haustechnische Komponenten zu berücksichtigen sind, wie sie sich in unserem Fall am stärksten an den Kompressoren der Heizungs-Wärmepumpen auswirken.
Diese gesamten Werte: Spannung, Leistungskennwerte und Nennströme (die auch der Betriebsart entsprechend des Lastmanagement zu unterscheiden sind) ergeben in Summe gemeinsam mit den Betriebszeiten die wichtigsten Informationen und Fakten zur Erstellung eines Anforderungsprofils als Planungsgrundlage für eine dezentrale Energieversorgung mit elektrischem Strom als Endenergie.

Von der Lastgröße zum Nutzungsprofil
Ein weiterer wichtiger Faktor hinsichtlich des tatsächlichen Bedarfs an elektrischer Energie in der Praxis sind demnach die Betriebsstunden diverser Geräte, Aggregate und Komponenten. Diese Betriebszeit steht des Weiteren im direkten Zusammenhang mit dem (Tages)-Zeitpunkt, wann welche Last gefordert wird bzw. bereitzustellen ist. Die detailierte – nutzungsspezifische Lastanforderung wird in einem anwendungsspezifischen Nutzungsprofil zusammengefasst und dargestellt. Das Nutzungsprofil definiert die lastspezifische Planungsgrundlage. Dementsprechend werden Lastprofile als Tages-, Wochen- und Monatsprofile erarbeitet. Darüber hinaus gilt es zweifelsfrei auch zwischen den Jahreszeiten zu unterscheiden. Insbesondere hinsichtlich der sogenannten Heizperiode macht es durchaus Sinn die Variabilität von Heizlasten während der Heizperiode zu unterscheiden. Die angegebenen Nenn-Wärmeleistungen bzw. Heizlasten beziehen sich immer auf den Auslegungsfall, wie z.B. bei einer Außentemperatur von -18°C. Allein in der Praxis verhält es sich aber so, dass diese maximale Nenn-Leistung nur an wenigen Tagen im Jahr bzw. in der Heizperiode benötigt wird. Die Grund- und Mittellasten sind ungleich geringer. Ein Grund mehr mit Aggregaten, die aus mehreren Kompressoren bestehen zu arbeiten. So kann beispielsweise die Grundlast vollständig mit eigenem Strom abgedeckt werden und teilweise auch die Mittellast. Für die Spitzenlast wird dann eben externer Strom aus dem Netz verwendet. Dies gilt freilich auch für etwaige Kühllasten.
Die gewöhnliche Nutzung einer Warmwasser-Wärmepumpe z.B. besitzt ein recht überschaubares Profil in einem normalen Haushalt, da es bei vier Personen über den Tag verteilt etwa 160 l Warmwasser bereitstellen muss. Die Unterschiede zwischen Winter und Sommer sind unwesentlich und können für eine grobe Erstbetrachtung vernachlässigt werden. Freilich aber wird man die Anlagenkonfiguration nach dem Sommer ausrichten, um mit einer PV-Anlage eine solare Trinkwassererwärmung mittels Warmwasser-Wärmepumpe zu ermöglichen, was eine der leichtesten Übungen ist und der Markt schon entsprechende Systemkomponenten anbietet. Bei einer gewünschten Vollabdeckung ist das  Bereitschaftsvolumen der Warmwasser-Vorhaltung der Leistung des PV-Generators dergestalt anzupassen, dass tagsüber nicht nur der abendliche Warmwasserbedarf gesammelt wird, sondern noch für die Morgenstunden des darauffolgenden Tages etwas zu Verfügung steht, bevor über den Tag der Generator das Aggregat der WP zur Trinkwassererwärmung wieder versorgt.

Potenziale bei Nichtwohngebäuden
Besondere Potenziale bieten einige Nichtwohngebäude. Wo sich ein dezentrales Energiemanagement nahezu aufdrängt, sind beispielsweise:

• Schulen und Kindertagesstätten,
• Einkaufszentren mit hohem Beleuchtungsbedarf,
• Lebensmittel-Märkte mit großen und zahlreichen Kühlgeräten,
• Büro- und Verwaltungsgebäude.

Alle oben genannten Gebäudetypen zeigen aufgrund ihrer typischen Nutzung recht konstante Lastprofile, wie bsw. der Endenergiebedarf für Kühltheken in Supermärkten, insbesondere im Sommer. In diesem Fall darf eine kausale Betrachtung von Photovoltaik und Kühlung schon im Grundsatz nicht fehlen.

Klimatische Bedingungen beachten
Nicht unbeachtet dürfen bei allen Betrachtungen natürlich die klimatischen Bedingungen unserer Klimazone hinsichtlich des zu erwartenden Solarertrags bleiben. Kleinst-Windkraft ermöglicht auch Erträge, wenn die Sonne nicht scheint. Solange die Speichertechnik noch in ihren Kinderschuhen steckt, stehen vorerst natürlich die sommerlichen Verbraucher im Fokus, da diese durch PV eine maximale Deckungsrate erreichen können. Das sind neben der Trinkwassererwärmung fraglos die Kühlung, als auch die Raumlufttechnik im Allgemeinen. Die dezentrale Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien verfügt jedoch über ein nicht zu unterschätzendes Potenzial an hoher Eigenbedarfsdeckung, wenn das Gebäude, die Nutzung und die systemintegrierte Technologie im Sinne von Energieeffizienz und CO2-Reduzierung innovativ weiterentwickelt wird.

Autor: Frank Hartmann