Die Nutzenübergabe bestimmt die Planung von Heizanlagen

Dipl.-Ing. Michael Bauer*

Die Planung von energiesparenden Heizsystemen orientiert sich an der Ausschöpfung vorhandener Energieeinsparpotentiale in beheizten Gebäuden. Energieeinsparpotentiale sind infolgedessen immer in den Bereichen zu finden, in denen Energie- bzw. Wärmeverluste auftreten.

Klassisch werden diese Verluste in drei streng getrennte Bereiche unterteilt: erstens, die Wärmeverluste des Gebäudes durch Transmission und Lüftung, zweitens die Verluste bei der Wärmeerzeugung (z.B. Kesselverluste) und drittens, die Verluste bei der Wärmeverteilung (z.B. Rohrleitungsverluste). Die Ausschöpfung der Energieeinsparpotentiale erfolgt ähnlich konsequent nur durch eine Optimierung der einzelnen Teilbereiche. Systembetrachtungen werden leider kaum durchgeführt. Die nachfolgende Betrachtung wird aufzeigen, daß diese strenge Unterteilung bei den heute vorherrschenden Randbedingungen nicht mehr ausreichend ist.

Allgemeines

In den letzten Jahren konnte die Höhe der Wärmeverluste in den drei Teilbereichen deutlich aufgezeigt werden. Dies führte zu gesetzlichen Vorgaben wie der Wärmeschutzverordnung [1] und der Heizungsanlagenverordnung [2] mit erhöhten Standards für die Wärmedämmung von Gebäuden und von Rohrleitungen. Parallel hierzu konnten die Kessel-, Brenner- und Brennraumkonstruktionen so verbessert werden, daß die Erzeugung von Wärme heute wesentlich effizienter erfolgt als früher. Auch das Betriebsverhalten der Wärmeerzeuger konnte durch geeignete Regeleinrichtungen so verbessert werden, daß die Nutzungsgrade bei Teillast- und Vollastbetrieb nahezu gleich hoch sind. Mittlerweile liegen die Verluste bei der Wärmeverteilung und der Wärmeerzeugung im Bereich von 10%. Weitere Optimierungen in den einzelnen Teilbereichen sind aus heutiger Sicht nur noch in einer Größenordnung von 1 bis 5 Prozentpunkten zu erwarten.

Auch im Bereich der Bauphysik haben die gesetzlichen Vorgaben für die erhöhte Wärmedämmung von Gebäuden gegriffen. So ist der Jahresenergiebedarf von Neubauten auf ca. 80 kWh/(m² · a) gesunken. Durch die bessere Wärmedämmung nehmen jedoch anteilig die inneren und äußeren Wärmelasten zu. Somit gewinnt die passive Nutzung von inneren und äußeren Wärmelasten einen höheren Stellenwert.

Sie wird oftmals mit dem Fremdwärmenutzungsgrad beschrieben, ist jedoch entgegen der allgemeinen Meinung keine ausschließliche Gebäudegröße, sondern ist vielmehr abhängig vom Reaktionsvermögen des installierten Heizsystems. Das heißt, nur wenn das installierte Heizsystem in der Lage ist, dem stark veränderlichen Heizlastprofil im Raum, z.B. verursacht durch intensive Sonneneinstrahlung, zu folgen, kann die eingestrahlte Sonnenenergie für Heizzwecke ausgenutzt werden. Ansonsten führt das Heizsystem dem Raum mehr Energie zu als benötigt. Wie nachfolgend gezeigt wird, ist dieser Vorgang bei den sehr gut gedämmten Gebäuden entscheidend für den Energiebedarf der Heizanlage. Demzufolge ist in beheizten Gebäuden neben den Wärmeverlusten durch Transmission, Lüftung, Wärmeverteilung und Wärmeerzeugung auch die Ausnutzung von solaren und inneren Wärmelasten durch das geplante Heizsystem, also die richtig dosierte Übergabe von Wärme, zu bewerten.

Die Nutzenübergabe bestimmt den Aufwand

Nach Ast [3] werden Heizsysteme - wie andere technische Systeme auch - durch einen Vergleich von Nutzen und Aufwand beurteilt. Der "Nutzen" bzw. die Aufgabe einer Heizanlage besteht bekanntermaßen darin, in den Räumen des Gebäudes für die Bewohner thermisch behagliche Zustände zu schaffen. Die Anforderungen der Bewohner an ihr thermisches Umfeld sind unabhängig vom Heizsystem und drücken sich je nach Aktivität und Bekleidung vor allem durch örtliche Vorgaben an die Solltemperaturen der Raumluft und der Umschließungsflächen aus. Ansätze wie "empfundene" oder "operative" Temperatur, die meist den Berechnungen zugrunde liegen, sind hier nicht ausreichend. Der Nutzer beharrt auf seiner persönlichen Erfahrung, daß seine örtliche Empfindung für Luftzug oder Abstrahlung maßgeblich ist und definiert hierfür seine Anforderungen [4]. Eine weitere Aufgabe ist, den aus hygienischen und bauphysikalischen Gründen notwendigen Außenluftstrom auf Raumlufttemperatur zu erwärmen. Die Übergabe des "Nutzens" durch das Heizsystem wird im folgenden als "Nutzenübergabe" bezeichnet. Die planerische Aufgabe bei der Nutzenübergabe besteht in der geeigneten Auswahl, Bemessung und Anordnung der Raumheizflächen [5].

Bild 1: Bedarfsentwicklung und Energiefluß.

Es läßt sich ein Wärmestrom ermitteln - die Heizlast -, der dem Raum zugeführt werden muß, um diese Nutzenanforderung gerade zu erfüllen. Das zeitliche Integral der Heizlast, der Gebäudeenergiebedarf Q_0,N, wird als energetische Vergleichsgröße für die nachfolgenden Prozesse, die für die Bedarfsdeckung benötigt werden (Nutzenübergabe, Wärmeverteilung, Wärmeerzeugung), herangezogen. Bild 1 zeigt die Bedarfsentwicklung ausgehend vom Gebäude mit der vorgesehenen Nutzung und den sich hieraus sowie aus dem Klima ergebenden Lasten über die Nutzenübergabe und Verteilung hin zum Erzeugungssystem. Da jeder dieser Systembereiche - Nutzenübergabe, Verteilung, Erzeugung - nicht ideal realisierbar ist, entsteht in ihnen jeweils ein unterschiedlicher, zusätzlicher Energieaufwand. Wird dieser Energieaufwand auf den für das Gebäude und seine Nutzung typischen Gebäudeenergiebedarf Q_0,N bezogen, lassen sich Aufwandszahlen e_1...3 als energetische Bewertungsgröße für die einzelnen Systembereiche definieren. Der Gebäudeenergiebedarf multipliziert mit den Aufwandszahlen e_1...3 der einzelnen Teilbereiche ergibt den Jahresenergiebedarf, der beim Erzeugungssystem auftritt [6].

Bild 2: Entwicklung des Energiebedarfs beheizter Gebäude.

Bild 3: Anteil der solaren und inneren Wärmelasten am Jahresheizenergiebedarf.

Auf der Grundlage dieser Überlegung richtet sich der Energiebedarf von beheizten Gebäuden nach den bauphysikalischen Eigenschaften und der Orientierung des Gebäudes, dem Klima und maßgeblich nach der Nutzung und dem Nutzenübergabesystem. Durch die gesetzlichen Rahmenbedingungen konnte in den vergangenen Jahren die Wärmedämmung von Gebäuden derart verbessert werden, daß die flächenbezogene Normheizlast nur noch 30 bis 40 W/m² beträgt. Mit den niedrigeren Bedarfswerten wirken sich die Einflüsse des Übergabesystems - und davon abhängig auch die Eingriffe des Nutzers - verstärkt auf den Energiebedarf aus. Mit der derzeit gültigen Wärmeschutzverordnung 1995 wird daher richtigerweise nicht die flächenbezogene Heizlast, sondern der Jahresenergiebedarf begrenzt. Die Wärmeschutzverordnung beschränkt sich jedoch auf Aussagen zum Energiebedarf von Gebäuden. Heizanlagen können nicht abgebildet werden. Wie Bild 2 zeigt, ist der Heizenergiebedarf von Gebäuden innerhalb von 10 Jahren von ca. 250 kWh/(m² · a) (Mittelwert) für Neubauten auf ca. 80 kWh/(m² · a) (Mittelwert) gesunken. Demgegenüber sind die inneren Lasten, also Personenwärme, Wärmelasten durch Computer und Beleuchtungskörper, mindestens gleichgeblieben. Die solaren Wärmelasten, hervorgerufen durch großzügige Fensterkonstruktionen in nach Süden orientierten Räumen, sind jedoch gestiegen. Relativ betrachtet nimmt somit der Anteil innerer und äußerer Wärmelasten am gesamten Jahresheizenergiebedarf deutlich zu. Wie in Bild 3 dargestellt, beträgt bei Wohngebäuden der Anteil der solaren und inneren Wärmelasten derzeit ca. 30%. Mit dem Energieeinspargesetz 2000 wird dieser Wert auf fast 40% ansteigen. In Bürogebäuden mit deutlich höheren inneren Wärmelasten beträgt der Anteil je nach Höhe der inneren Wärmelasten heute bereits 40 bis 80%.

Mit dem relativen Anstieg der solaren und äußeren Wärmelasten wirken sich auftretende Lasten heute stärker und schneller aus als bisher. Unter diesen Randbedingungen arbeiten Heizsysteme nur dann energiesparend, wenn sie in der Lage sind, die inneren und äußeren Wärmelasten für Heizzwecke zu nutzen. Können die Heizsysteme dem stark veränderlichen Heizlastprofil nicht folgen, führt dies zu einer unnötigen Erwärmung des Raumes und somit unweigerlich zu einem erhöhten Energiebedarf. Ziel bei der Planung ist somit, Heizanlagen zu entwerfen, die die Heizwärme zeitlich und örtlich genau übergeben. Auf diesen Zusammenhang hat schon Rietschel [7] hingewiesen, der bereits 1902 schlußfolgerte: "Die vollkommenste Heizungsanlage würde diejenige sein, die an jeder Stelle eines Wärmeverlustes einen gleich großen Wärmeersatz zu liefern imstande wäre." Im Gegensatz zu damals sind heute die technischen Möglichkeiten vorhanden, die Heizanlagen dementsprechend auszuführen, man hält sich jedoch nur an die Vorgaben der DIN 4701 [8], die keine örtliche und zeitliche Betrachtung ermöglicht.

Bild 4: Beispielraum, Orientierung Süden.

An einem Beispielraum wird mit Betriebssimulation [11, 12] der Einfluß der Nutzenübergabe auf den Energiebedarf beheizter Gebäude aufgezeigt. Der Beispielraum (Bild 4) hat eine Grundfläche von 5 x 5 m und eine Raumhöhe von 3 m; der Wärmedämmstandard entspricht der Wärmeschutzverordnung 1995. Seine einzige Außenwand ist nach Süden orientiert und enthält ein Fenster mit k_f = 1,5 W/(m² · K). Der Raum hat eine Normheizlast von 900 W. Für die Beispielbetrachtung ist die Außentemperatur konstant mit t_AU = -12°C angenommen. Des weiteren scheint an dem betrachteten kalten Wintertag keine Sonne. Mit den Randbedingungen wird die Heizanlage im Vollastbetrieb unter Auslegungsbedingungen betrieben. Einziger Unterschied zu den Auslegungsbedingungen ist die Nutzungszeit von 7.00 bis 17.00 Uhr, die in diesem Büroraum mit 600 W inneren Wärmelasten berücksichtigt wird.

Bild 5: Raumtemperatur und Heizlast.

Bild 5 zeigt den Verlauf der benötigten Heizlast. Mit dem Auftreten der inneren Wärmelasten gegen 7.00 Uhr verringert sich die Heizlast um den Betrag der wirksam werdenden Wärmelasten. In diesem Fall werden die inneren Wärmelasten für Heizzwecke ausgenutzt. Heizsysteme, z.B. eine traditionelle Heizkörperheizung mit Proportionalregler, einer Vorlauftemperatur t_v = 90°C und einer Spreizung von D _t = 20 K, sind nicht in der Lage, dem Heizlastprofil zu folgen. Wie in Bild 5 dargestellt, erfolgt nur eine geringfügige Anpassung des Wassermassenstroms. Dadurch wird dem Raum mehr Energie zugeführt als benötigt. Die verursachte Temperaturerhöhung um 1 bis 2 K nimmt der Nutzer kaum zur Kenntnis. Der Energiemehrbedarf ist jedoch erheblich. Der schraffierte Bereich zeigt den Energiemehrbedarf im Vergleich zu der eigentlich benötigten Heizlast. An diesem Beispieltag liegt die Aufwandszahl e₁ bei 1,1 bis 1,15.

Bild 6: Raumtemperatur und Heizlast.

Nun gibt es während des Betrachtungszeitraums von einem Jahr nicht nur Tage mit Außentemperaturen von t_AU = -12°C ohne Sonnenschein. Wie Bild 6 zeigt, wird bei Tagen mit höheren Außentemperaturen sowie solaren Wärmelasten die Diskrepanz zwischen benötigtem und geliefertem Heizenergiebedarf durch ein reales Heizsystem noch deutlicher. Ähnlich große Differenzen zwischen benötigtem Energiebedarf und real geliefertem Energiebedarf verursachen Betriebsweisen wie Nachtabsenkung oder morgendliches Aufheizen, wenn sie ohne Rückkopplung mit dem Raum betrieben werden. So führt eine Nachtabsenkung, gesteuert durch eine zentrale Parallelverschiebung der Vorlauftemperatur während der Nachtstunden, nur dazu, daß die Regelventile die sinkende Raumtemperatur aufgrund der Minderleistung des Heizkörpers durch Öffnen kompensieren. Die Folge ist, daß sich die theoretisch berechneten Energieeinsparungen mit einer Nachtabsenkung in der Praxis oft nicht bestätigen lassen.

Die Abhängigkeit der Aufwandszahl e1 von den auftretenden inneren und äußeren Wärmelasten und dem Heizbetrieb (Absenk- und Aufheizbetrieb) läßt sich mit der relativen Heizlast b _Q beschreiben [9]. Die relative Heizlast ist der Quotient aus momentaner Heizlast (_0,N) und Normheizlast (_N). Je höher der Anteil der Fremdlasten - also der Summe von Außen- und Innenlasten - wird, desto kleiner wird die momentane Heizlast (_0,N) und um so stärker verändert sie sich zeitlich.

Bei Jahresbetrachtungen läßt sich dieser Einfluß durch das Jahresmittel der relativen Heizlast beschreiben:

Bild 7: Aufwandszahl / relative Heizlast.

Den prinzipiellen Zusammenhang zwischen der Aufwandszahl e1 für die Nutzenübergabe und der relativen Heizlast bei verschiedenen Dämmstandards zeigt Bild 7. Die untere Kurve gilt für einen unstetigen PID-Regler, die obere für einen Regler mit P-Verhalten. Aufgrund der zahlreichen Einflußgrößen auf die relative Heizlast wie solare und innere Wärmelasten, Absenk- und Aufheizbedarfsprofile sowie Lage und Größe der Fensterflächen entsteht eine gewisse Bandbreite für die verschiedenen Dämmstandards. Je nach Wärmedämmstandard und Nutzungsprofil können Aufwandszahlen von 1,05 bis 3,0 entstehen. Dies bedeutet, daß je größer die Lastschwankungen während des Heizbetriebs sind, desto mehr weicht der gelieferte Energiebedarf des realen Heizsystems vom eigentlich benötigten Bedarfsprofil ab. In extremen Beispielen sind diese Abweichungen so groß, daß das dreifache der theoretisch benötigten Heizenergie dem Raum zugeführt wird. Im Vergleich dazu sind die Aufwandszahlen von 1,01 bis 1,04 für die Verteilung und 1,05 bis 1,1 für die Erzeugung deutlich geringer.

Die berechneten Aufwandszahlen beziehen sich auf eine traditionell ausgelegte Heizkörperheizung. Natürlich sind mit schneller reagierenden Heizanlagen bessere Aufwandszahlen erreichbar. Den größten Einfluß auf die Nutzenübergabe hat das Übertragungsverhalten der Heizflächenregelung. Das heißt, ob z.B. mit einem Thermostatventil mit Proportionalverhalten geregelt oder ob es sich um ein stetiges bzw. unstetiges Ventil mit PID-Verhalten handelt. Die Möglichkeiten, dem Bedarfsprofil zu folgen, sind sehr verschieden.

Die zweite Einflußgröße ist die Art des Heizsystems. Hierbei ist entscheidend, ob dem Raum genau die Wärme zugeführt werden kann, die zeitlich und örtlich benötigt wird. Schnell reagierende Heizsysteme mit den breitesten Einsatzmöglichkeiten (Freiheitsgrade) sind hier günstiger zu bewerten als langsame, schwere Heizsysteme, die nicht zeitlich und örtlich gezielt eingesetzt werden können, um behagliche Defizite auszugleichen.

Bild 8: Aufwandszahlen bei unterschiedlicher Auslegung.

In Bild 8 ist der Einfluß von Auslegungsvorlauftemperatur und Auslegungsspreizung am Beispiel eines Heizkörpersystems mit P-Regler aufgezeigt. Bei einer Auslegungsvorlauftemperatur von 90°C und einer Auslegungsspreizung von 20 K ist mit Aufwandszahlen von 1,2 bis 1,25 zu rechnen. Bei kleineren Auslegungsvorlauftemperaturen, z.B. 50°C und gleicher Spreizung, kann bei einem nach der Wärmeschutzverordnung 1995 gedämmten Gebäude die Aufwandszahl auf ca. 1,1 gesenkt werden.

Bild 9: Aufwandszahlen für Nutzenübergabe.

In Bild 9 sind die Einflüsse von Heizflächen und Regelung auf die Aufwandszahl e₁ tendentiell dargestellt. Hierbei stellt Bach [10] die Aufwandszahl e₁ über dem Kehrwert der Abkühlzahl F ₀ dar. s ₀ ist die Auslegungsspreizung, D t_V,0 die Vorlaufübertemperatur bei der Auslegung. Mit einem idealen PID-Regler, d.h. ohne bleibende Regelabweichung, gibt es keine Einflüsse durch die Auslegungstemperaturen der Heizfläche. Hier ist nur noch die Zeitkonstante des Heizkörpers maßgeblich. Heizkörper mit kleinen Zeitkonstanten, also mit geringer Masse und kleinen Wasserinhalten, sind somit besser zu bewerten als schwere Heizkörper mit großem Wasserinhalt.

Zusammenfassung

Der Heizenergiebedarf von Gebäuden mit sehr guter Wärmedämmung ist vor allem abhängig vom Nutzenübergabesystem im Raum. Der erhöhte Dämmstandard führt zwar zu einem deutlich geringeren Energiebedarf, demgegenüber nimmt jedoch auch der Anteil solarer und innerer Wärmelasten zu. Somit wirken sich die auftretenden Fremdlasten in beheizten Gebäuden stärker und schneller aus als bisher.

Die Heizanlagen arbeiten nur dann energiesparend, wenn sie in der Lage sind, diese Fremdlasten für Heizzwecke zu nutzen. Es wird aufgezeigt, daß je nach Nutzenübergabesystem einem Raum oftmals 40 bis 50% mehr Energie zugeführt wird als eigentlich benötigt.

Mit der hier vorgestellten Vorgehensweise kann die Nutzenübergabequalität von verschiedenen Heizanlagen bewertet werden. Dies ermöglicht eine bedarfsorientierte Planung von energiesparenden Heizanlagen, die so viel Heizwärme zeitlich und örtlich dem Nutzer übergeben, wie benötigt wird.

* Dipl.-Ing. Michael Bauer, Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik der Universität Stuttgart

L i t e r a t u r :

Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden, Wärmeschutzverordnung - WSVO), 1. Januar 1995
Verordnung über energiesparende Anforderungen an heizungstechnische Anlagen und Brauchwasseranlagen (Heizungsanlagenverordnung - HeizAnlV), 1. Juni 1994.
Ast, H.: Energetische Beurteilung von Warmwasserheizanlagen durch rechnerische Betriebssimulation. Universität Stuttgart, Dissertation 1989.
Bach H.; Bauer M.: Heizflächen richtig auslegen. SBZ 10/1995.
Bach, H; Bauer, M.; Reichert, E.: Heizkörper - eine architektonische Aufgabe. Deutsches Architektenblatt DAB 10/1996.
Bach, H.; Bauer, M.; Diehl, J.: Anmerkungen zur künftigen VDI 2067 - Wirtschaftlichkeit von gebäudetechnischen Anlagen. Bundesbaublatt BBauBl, März 1995.
Rietschel, H.: Leitfaden zum Berechnen und Entwerfen von Lüftungs- und Heizungsanlagen. Verlag von Julius Springer, Berlin 1902.
DIN 4701: Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden. Auslegung der Raumheizeinrichtungen. Ausgabe August 1989.
Bauer, M.: Energiegerechte Planung von Heizanlagen. Vortrag XXIV, Internationalen TGA-Kongress, Hannover 1996.
Bach, H.: Die Nutzenübergabe bestimmt den Aufwand - ein neuer Denkansatz in der Heiztechnik. Vortrag XXIV, Internationalen TGA-Kongress, Hannover 1996.
TRNSYS: A Transient System Simulation Programm. Solar Energy Loboratory, University of Wisconsin, Madison; USA 1994.
Tritschler, M.: Beurteilung von Heizkostenverteilsystemen durch Gebäude- und Anlagensimulation. Wärmetechnik, Ausgaben 6/96 und 7/96.

[Zurück] [Übersicht] [www.ikz.de]