IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 12/1996, Seite 68 ff.

HEIZUNG

Moderne Heizungstechnik für Gebäude mit niedrigem Wärmebedarf

Dr.-Ing. Michael Hager, Dipl.-Ing. Friedebert Otto

Mit der Reduzierung des Jahresheizwärmebedarfs für neue Gebäude ist die Chance zu einer erheblichen Verringerung der Kohlendioxid-Emissionen und damit des Kohlendioxid-Gehaltes in der Erdatmosphäre gegeben. Im nachfolgenden Beitrag soll deutlich werden, daß nur mit der richtigen Anlagentechnik eine maßgebliche Kohlendioxid-Minderung möglich ist. Ferner wird aufgezeigt, daß für Gebäude mit niedrigem Wärmebedarf eine erprobte Technik und bewährte Systeme zur Verfügung stehen.

Bild 1: Heiz-, Lüftungs- und Trinkwasserwärmebedarf eines Einfamilienhauses (150 m2, 3 bis 4 Personen).

Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, die Kohlendioxid-Emissionen in Deutschland bis zum Jahr 2005 um 25% (Basis 1990) zu senken. Dies soll vor allem durch die Verabschiedung und Durchsetzung der folgenden Verordnungen erreicht werden:

Damit werden maßgebliche Anforderungen an den Jahresheizwärmebedarf von Gebäuden und an die Systeme zum Heizen, Trinkwassererwärmen und Lüften gestellt:

Während in der Vergangenheit maximal 1/3 des Jahresheizwärmebedarfs zur Deckung der Lüftungswärmeverluste aufgewendet wurden, werden dies künftig bei gut wärmegedämmten Gebäuden 50 bis 60% sein. Der Anteil der Trinkwassererwärmung am Jahresenergiebedarf betrug bisher 10 bis 15%, bei gut wärmegedämmten Gebäuden dagegen 25 bis 30% (Bild 1).

Bild 2: Spezifische Kohlendioxid-Emission verschiedener Energieträger.

Gebäude, die nach der heute gültigen Wärmeschutzverordnung gebaut werden, haben einen Heizwärmebedarf von 54 bis 100 kWh/(m2 · a). Der Wärmebedarf von Niedrigenergiehäusern (NEH) liegt mit 30 bis 70 kWh/(m2 · a) noch unter diesen Werten.

Es stellt sich die Frage, ob ein Gebäude mit 6 oder 8 kW Heizwärmebedarf noch einen Heizkessel, Öltank oder Gasanschluß benötigt oder ob diese Häuser direkt mit Strom beheizt werden können. Weiterhin liegt mit der Wohnungslüftung der Schritt zur Warmluftheizung nahe. Zunächst soll noch einmal auf das Ziel "Reduzierung der Kohlendioxid-Emission" hingewiesen werden.

Kohlendioxid-Fracht der Energieträger

Bild 2 zeigt die spezifische Kohlendioxid-Fracht beim Einsatz verschiedener Energieträger. Kohlenstoffreiche und wasserstoffarme Brennstoffe verursachen zwangsläufig eine höhere Kohlendioxid-Emission als Brennstoffe mit niedrigem Kohlenstoff- und höherem Wasserstoffgehalt. Die Verbrennung von Heizöl verursacht eine Kohlendioxid-Emission von 0,26 kg/kWh eingesetzter Energie. Der Einsatz von Strom verursacht bei dem derzeitigen Kraftwerks-Brennstoffmix mit Abstand die höchste Kohlendioxid-Emission von 0,57 kg/kWh.

Bild 3: Gas-Brennwertkessel

Strom hat den Vorteil, daß er im Gebäude verlustfrei in Wärme umgesetzt werden kann und geringe Investitionen für die Stromdirektheizung erfordert. Jedoch beklagen Bewohner von Niedrigenergiehäusern, die direkt mit Strom heizen, die hohen Stromkosten.

Wegen der hohen Kohlendioxid-Fracht von Strom, sind im Sinne der neuen heizungsrelevanten Verordnungen die Brennstoffe Öl und Gas zu bevorzugen. Gas-Brennwertkessel verursachen die geringsten Kohlendioxid-Emissionen. Die Elektroheizung muß aus Gründen der Kohlendioxid-Emission, der Betriebskosten und der Bereitstellung von Strom in Spitzenlastzeiten abgelehnt werden.

Warmluft- oder Pumpenwarmwasser-Heizung?

Ein Vorteil der Warmluftheizung ist, daß man mit einem System Heizen und Lüften kann. Warmluftheizungen haben sich in der Vergangenheit aufgrund der großen Luftvolumenströme, hoher Lufttemperaturen und schlechter Regelbarkeit der Einzelräume nicht durchgesetzt. Im Niedrigenergiehaus mit geringem Heizwärmebedarf sind die Voraussetzungen für den Einsatz einer Warmluftheizung günstiger. Dennoch gibt es treffende Argumente für die Pumpenwarmwasserheizung.

Luft ist weniger zum Transport von Wärme geeignet als Wasser. Das Dichteverhältnis von Luft zu Wasser beträgt rd. 1:770, das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazität 1:4. Zum Transport von 1 kWh Wärme sind beim Wärmeträger Wasser 6 bis 8 Wh, beim Wärmeträger Luft dagegen 35 bis 40 Wh Energie erforderlich. Diese physikalischen Gegebenheiten führen dazu, daß Warmluftheizungen zum Transport von Wärme erheblich mehr Antriebsenergie und wesentlich größere Rohrquerschnitte erfordern.

Bild 4: Leistung des Heizkessels für Gebäude mit niedrigem Wärmebedarf.

Die Einzelraumregelung der Pumpenwarmwasserheizung über Thermostatventile hat sich bewährt. Thermostatventile ermöglichen die individuelle Einstellung der Raumtemperatur und zeigen ein flinkes Regelverhalten. Die Warmluftheizung erfordert dagegen eine aufwendige Luftklappenregelung.

Häufig werden die gegenläufigen Bedürfnisse von Heizen und Lüften nicht bedacht. In Abhängigkeit der Wohnungsbelegung besteht der Wunsch, die Heizleistung zu reduzieren, jedoch mehr zu lüften, oder aber die Heizleistung zu erhöhen und weniger zu lüften. Getrennte Systeme, d.h. Thermostatventile an den Heizkörpern sowie ein Stufenschalter für die Wohnungslüftungsanlage ermöglichen, die Bedürfnisse an Heizen und Lüften unabhängig voneinander zu regeln. Die Luftheizung ist stets nur ein Kompromiß. Weiterhin wird Luft häufig als schlecht empfunden, wenn sie wärmer als 25°C eingeblasen wird.

Wasser dagegen eignet sich gut zum Transport von Wärme. Selbst Häuser mit einem extrem niedrigen Wärmebedarf von 2 bis 3 kW, sogenannte Passivhäuser, werden mit einer Pumpenwarmwasserheizung, kombiniert mit Wohnungslüftungsanlagen, beheizt und gelüftet. Im Hinblick auf die Kohlendioxid-Emission, den Komfort sowie den Aufwand für Montage und Planung, sollte auch in Gebäuden mit niedrigem Wärmebedarf bis auf wenige Ausnahmen Pumpenwarmwasserheizungen eingesetzt werden.

Anforderungen an den Wärmeerzeuger

Wesentlicher Bestandteil einer effizienten Wärmeerzeugung in Niedrigenergiehäusern sind Öl/Gas-Niedertemperatur-Heizkessel oder Gas-Brennwertkessel mit witterungsgeführter Mikrocomputer-Kesselkreisregelung. Wichtig ist ebenfalls ein hoher Nutzungsgrad im Teillastbetrieb und in den Sommermonaten, wenn nur Trinkwasser erwärmt wird. Heizkessel und Wärmeverteilung müssen sich rasch dem tatsächlichen Wärmebedarf anpassen, damit Fremdwärme (z.B. Sonneneinstrahlung und interne Wärmequellen) weitgehend genutzt wird und es nicht zu einem Überheizen einzelner Räume und damit zu vermeidbaren Wärmeverlusten kommt.

Bild 5: Energieausnutzung und Wärmeverluste von Heizkesseln mit konstant angehobener Wassertemperatur (Baujahr vor 1975).

Die problemlose hydraulische Einbindung und gute Regelbarkeit wird durch einen hohen Wasserinhalt des Heizkessels unterstützt. Durch die Minimierung von heizwasser- und heizgasseitigen Strömungswiderständen werden die Stromverbräuche von Umwälzpumpe und Brennergebläse verringert. Weiterhin ist die schadstoffarme Verbrennung ein weiteres Merkmal neuzeitlicher Heizkessel. Nachdem beim Erdgas niedrige NOx-Werte durch den Einsatz von Vormischbrennern erreicht werden, sind durch neue Entwicklungen jetzt ebenfalls Brenner für Heizöl EL verfügbar, die eine deutlich niedrigere NOx-Emission haben [5].

Ein Gas-Brennwertkessel wie beispielsweise der in Bild 3 dargestellte, erfüllt alle Anforderungen, die an einen modernen Wärmeerzeuger gerade im Niedrigenergiehaus gestellt werden:

Öl-Brennwertkessel

Aufgrund der um rd. 10 K niedrigeren Taupunkttemperatur und der nur 5% betragenden Differenz zwischen Brennwert und Heizwert ist in der Praxis bei Öl-Brennwertkesseln mit einer Nutzungsgradverbesserung von nur 3 bis 4% gegenüber Niedertemperaturkesseln zu rechnen. Der Schwefelanteil im Heizöl wurde zwar verringert, trotzdem müssen durch den verbleibenden Restanteil Mehrkosten berücksichtigt werden. Die Wirtschaftlichkeit von Öl-Brennwertkesseln im Leistungsbereich von Ein- und Zweifamilienhäusern ist deswegen noch nicht gegeben.

Bild 6: Energieausnutzung und Wärmeverluste von Heizkesseln mit gleitend abgesenkter Wassertemperatur.

Regelung

Die Regelung muß flink und einfach zu bedienen sein. Stand der Technik ist die witterungsgeführte Microcomputer-Kesselkreisregelung mit Außentemperaturfühler. Bei gut wärmegedämmten Häusern ist der Außenfühler auf der Nordseite nicht immer die geeignete Führungsgröße, wenn z.B. die Sonne vom Süden her das Haus erwärmt. Wegweisend sind selbstlernende Kesselregelungen mit Fuzzy-Logik, die auch ohne Außenfühler den tatsächlichen Wärmebedarf erkennen und nur soviel Wärme zur Verfügung stellen, wie gerade benötigt wird. Selbstlernende Regelungen sind zudem sehr einfach in der Bedienung.

Speicher

Neben der Bereitschaft zur Energieeinsparung besteht der Wunsch nach hohem Komfort für die Trinkwassererwärmung. Fast in jedem Neubau findet man zwei Duschen und eine Badewanne. Hohe Zapfraten und gleichmäßige Auslauftemperaturen können mit 18 oder 24 kW im elektrisch betriebenen Durchlauferhitzer nicht sichergestellt werden. Eine sehr komfortable und wirtschaftliche Art der Trinkwassererwärmung mit zudem niedriger Kohlendioxid-Emission ist die zentrale Trinkwassererwärmung in Verbindung mit dem Heizkessel. Die Dimensionierung des Heizkessels darf sich daher nicht allein am Wärmebedarf für die Heizung orientieren. Entscheidend ist der Komfort für die Trinkwassererwärmung. In einem Gebäude mit niedrigem Wärmebedarf sollte die Leistung des Heizkessels mit 15 bis 18 kW auf die Warmwasserleistung ausgelegt werden (Bild 4).

Bild 7: Mehrnutzen durch den Einsatz von Brennwertkesseln.

Nutzungsgrade von modernen Niedertemperaturkesseln sind über einen weiten Auslastungsbereich nahezu konstant (Bilder 5 und 6). Oberflächenverluste dieser Kessel werden im Teillastbereich durch Gewinne aus nicht eingetretenen Abgasverlusten kompensiert. Dieses Betriebsverhalten führt dazu, daß der Verlauf des Nutzungsgrades neuzeitlicher Niedertemperaturkessel mit geringer werdender Auslastung ansteigt. Niedertemperaturkessel zeichnen sich gegenüber alten Heizkesseln über einen weiten Auslastungsbereich durch einen stabilen Nutzungsgradverlauf aus. Ein bezogen auf die Heizung überdimensionierter Kessel ist daher letztendlich für den Nutzungsgrad förderlich (Bild 7).

Sonnenkollektoren

Die Nutzung der Sonnenenergie zur Trinkwassererwärmung ist ein positiver Beitrag zur Schonung der Umwelt. Sie ermöglicht gerade in Häusern mit geringem Wärmebedarf die Deckung eines hohen Energieanteils. In einem 3- bis 4-Personen-Haushalt können mit 6 m2 Flachkollektoren 60% des Wärmebedarfs für die Trinkwassererwärmung gedeckt werden. In einem gut wärmegedämmten Haus kann der Anteil der Trinkwassererwärmung am gesamten Energieumsatz 30% und mehr ausmachen. Demzufolge können 20% des gesamten Wärmeverbrauchs durch Sonnenkollektoren gedeckt werden. Die Einführung der Solartechnik zum Heizen macht am Aufwand gemessen bei gut wärmegedämmten Häusern mit einer kurzen Heizperiode vorläufig keinen Sinn. Die kontinuierliche Förderung von Solaranlagen begünstigt die Verbreitung der Solartechnik. Auch wenn der wirtschaftliche Einsatz von Sonnenkollektoren bei heutigen Energiepreisen noch nicht gegeben ist, sind Sonnenkollektoren aus ökologischer Sicht wünschenswert.

Bild 8: Wohnungslüftungssystem mit Wärmerückgewinnung.

Wohnungslüftung

Hatten die Lüftungswärmeverluste bei Gebäuden, die nach den Wärmeschutzverordnungen von 1977 und 1982 gebaut wurden, einen Anteil von 25% bis 30% vom Jahresheizwärmebedarf, so erhöht sich dies bei Niedrigenergiehäusern auf 50% und mehr (Bild 1). Die Bedeutung der Lüftungswärmeverluste erhöht sich also im Vergleich zu den Transmissionswärmeverlusten.

Weiterhin bestehen durch die immer luftdichteren Gebäude neue Anforderungen an den Luftaustausch. Der natürliche Luftaustausch durch Tür- und Fensterfugen sowie andere Undichtigkeiten am Gebäude reicht in modernen Niedrigenergiehäusern nicht mehr aus, um die hygienischen und bauphysikalischen Mindestanforderungen an die Raumluft einzuhalten. Ein 0,5-facher Luftwechsel wird für erforderlich gehalten.

Wohnungslüftungsanlagen sorgen für frische und behagliche Raumluft, führen Feuchte aus den Räumen ab und bieten die Möglichkeit zur weiteren Energieeinsparung durch die Verringerung der Lüftungswärmeverluste. Seitens der Wärmeschutzverordnung werden drei Möglichkeiten zur Wohnungslüftung aufgezeigt:

Bild 9: Wohnungslüftungssystem zur bedarfsgerechten, feuchtegeregelten Lüftung.

Die Wohnungslüftung ist eine zeitgemäße Ergänzung zur Pumpenwarmwasserheizung. Sie ermöglicht einerseits die Sicherstellung des aus hygienischen und bauphysikalischen Gründen erforderlichen Luftwechsels bei dichten Gebäuden und geschlossenen Fenstern und andererseits hilft sie, die Lüftungswärmeverluste zu reduzieren. Durch die Verankerung in der Wärmeschutzverordnung ist die Wohnungslüftung als Option bei der Gebäudeplanung und beim Bauantrag zu berücksichtigen. Dennoch muß man davon ausgehen, daß zunächst nur ein begrenzter Bedarf besteht. Vor allem wegen der Kosten dürften Abluftanlagen ohne Wärmerückgewinnung eher eine Chance haben. Allergikern sind zentrale Zu- und Abluftsysteme mit Wärmerückgewinnung zu empfehlen, da hier die Möglichkeit besteht, Pollen, Staub und andere allergene Stoffe aus der Zuluft herauszufiltern. Besteht jedoch eine Allergie gegen Hausstaubmilben, so bringen bereits die einfacheren Abluftsysteme Erleichterung, da hiermit die Feuchte aus dem Gebäude abgeführt wird. Bekannterweise wird die Vermehrung von Hausstaubmilben durch eine hohe relative Feuchte im Gebäude gefördert.

Vergleicht man die Kosten und die Kohlendioxid-Emission der Systeme mit und ohne Wärmerückgewinnung, so können mit Anlagen mit Wärmerückgewinnung zwar Energie, jedoch aufgrund des Einsatzes von Strom keine Energiekosten eingespart werden. Die Kohlendioxid-Bilanz fällt nur leicht zugunsten der Systeme mit Wärmerückgewinnung aus. Bei Anlagen mit Wärmerückgewinnung ist daher in erster Linie der Komfort angesprochen. Zudem ist in Gebäuden mit niedrigem Wärmebedarf die Wohnungslüftung keine Frage der Wirtschaftlichkeit, sondern der Notwendigkeit.

Bild 10: Kohlendioxid-Emission und Heizkosten am Beispiel eines Einfamilienhauses, das der Wärmeschutzverordnung von 1982 entspricht, und eines Niedrigenergiehauses.

Kohlendioxid-Minderung durch energiesparendes Bauen und Heizen

Am Beispiel eines Einfamilienhauses, das 1980 gebaut wurde, sollen die Möglichkeiten zur Kohlendioxid-Minderung aufgezeigt werden. Durch eine verbesserte Wärmedämmung kann der Jahresheizwärmebedarf von 120 kWh/(m2 · a) auf 70 kWh/(m2 · a) reduziert werden. Durch die zusätzliche Wärmedämmung in Verbindung mit dem Einbau eines modernen Niedertemperatur-Ölkessels und einer Wohnungslüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung verringert sich der Ölverbrauch und die Kohlendioxid-Emission um rd. 35%. Beim Einsatz eines Gas-Brennwertkessels und einer feuchtegeregelten Abluftanlage hätte sich die Kohlendioxid-Emission bei annähernd gleichen Heizkosten sogar halbiert (Bild 10).

Fazit

Es wurde gezeigt, daß mit der richtigen Anlagentechnik und dem richtigen Brennstoff eine optimale Kohlendioxid-Reduzierung möglich ist. Durch den Einsatz moderner Öl-Niedertemperatur- und Gas-Brennwertkessel in Verbindung mit der Pumpenwarmwasserheizung wird die Kohlendioxid-Emission minimiert. Der Einsatz von Strom für Heizung und Trinkwassererwärmung ist aus ökologischer Sicht nicht ratsam.

Vorteilhaft ist, wenn aufeinander abgestimmte Systeme aus einer Hand angeboten werden. Grundsätzlich werden für Niedrigenergiehäuser keine neuartigen Heizsysteme benötigt. Vielmehr gilt es, bewährte Technik richtig einzusetzen und gegebenenfalls durch eine Wohnungslüftungsanlage zu ergänzen. Hierfür stehen einfache und komfortable Systeme zur Verfügung, die mit Öl- und Gas-Heizungen kombiniert werden können.

L i t e r a t u r :

[1] Burger, H.: Anforderungen an die Gerätetechnik. Viessmann-Forum "Auswirkungen der neuen heizungsrelevanten Verordnungen auf die SHK-Branche" am 15.6.1994 in Allendorf/Eder.

[2] Hausladen, G.: Haustechnik im Niedrigenergiehaus. Viessmann-Forum "Auswirkungen der neuen heizungsrelevanten Verordnungen auf die SHK-Branche" am 15.6.1994 in Allendorf/Eder

[3] Otto, F.: Moderne Haustechnik in Gebäuden mit niedrigem Wärmebedarf. Viessmann-Forum "Auswirkungen der neuen heizungsrelevanten Verordnungen auf die SHK-Branche" am 15.6.1994 in Allendorf/Eder.

[4] Otto, F.: Heizungstechnik für Niedrigenergiehäuser. sbz, Ausgabe 6/1995; Gentner-Verlag, Stuttgart.

[5] Schneider, H.: Energetische Situation der Gebäudetechnik. Fachkongreß für Sanitär- und Heizungstechnik am 11.1.1996 in Essen.

B i l d e r :   Viessmann Werke, Allendorf/Eder

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