Heizungs- und Lüftungstechnik in Passivhäusern

Ergebnisse aus dem europäischen Demonstrationsprojekt CEPHEUS

Oliver Kah, Rainer Pfluger, Dr. Wolfgang Feist* Teil 3

Im zweiten Teil der Artikelfolge wurde auf die im Passivhaus mögliche Lösung der Zuluftheizung eingegangen. Aufgrund des hohen Wärmeschutzes sind die Wärmelasten im Passivhaus derart gering, dass die Heizwärme vollständig mit der Zuluft (ohne Umluft) zugeführt werden kann. Für die Wärmebereitstellung im Passivhaus besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten, welche in diesem Beitrag anhand von einigen Beispielen der CEPHEUS-Demonstrationsprojekte** erläutert werden.

Die thermischen Hüllflächen von Passivhäusern sind derart gut gedämmt, dass bei der Zuführung der Wärme keine störende Strahlungstemperatur-Asymmetrie im Raum auftreten kann: Der Ort der Wärmequelle kann frei gewählt werden, beheizte Ausgleichsflächen sind nicht mehr zwingend erforderlich. Auch die Art der Wärmeübergabe, von rein konvektiv bis zur Strahlungsheizung, ist praktisch frei wählbar - allein die Heizmitteltemperaturen sollten nicht zu hoch werden.

Eine konventionelle Heizkörperheizung (die "klassische Radiatorheizung") kann nach wie vor auch im Passivhaus eingesetzt werden. Dabei kann, aufgrund der ausgeglichenen Strahlungstemperaturen im Raum, eine platzsparende Anordnung und die Optimierung von Versorgungsleitungslängen in den Vordergrund treten. Die Vielzahl der möglichen Lösungen spiegelt sich in den Anlagenkonzepten der CEPHEUS-Projekte wider. Dort wurde in verschiedenen Projekten die Heizwärme mittels Zuluftheizungen, Bauteilheizungen und den klassischen Radiatorheizungen übergeben. Der Schwerpunkt der umgesetzten Lösungen liegt bei einfachen und kostengünstigen Konzepten. Man versucht, die Heizkörper-Installation auf wenige Zonen (Badbereiche) zu reduzieren, deren Beheizung gesondert zu betrachten ist oder in denen höhere Raumtemperaturen gewünscht werden. Untersuchungen im Projekt Hannover-Kronsberg zeigen, dass in Passivhäusern mit diesen einfachen Heizungssystemen (Zuluftsystem mit einem Badheizköper) eine individuell wählbare und sehr ausgewogene thermische Behaglichkeit sichergestellt werden kann.

Wärmeverteilung

Besonders interessant ist für Passivhäuser die Wärmezuführung über das Zuluftsystem, wie bereits im Teil 2 dieser Reihe erläutert wurde. Die überwiegende Zahl der CEPHEUS- Projekte (12 von 14) nutzt diese Möglichkeit. Zusätzliche Investitionskosten für die Wärmeverteilung entfallen, weil diese vom ohnehin notwendigen Zuluftverteilnetz übernommen werden kann.

Die Heizwärmeverteilung ist unproblematisch, so lange sie innerhalb der thermischen Hülle verläuft. Da auftretende Wärmeverteilverluste während der Heizzeit anfallen, sind sie nahezu vollständig für die Raumheizung nutzbar. Dies gilt nicht für Warmwasserversorgungs- und Zirkulationsleitungen, weil diese während des ganzen Jahres, auch außerhalb der Heizzeit, Wärme abgeben. Versorgungsleitungen außerhalb der thermischen Hülle müssen sehr gut gedämmt werden. Daraus resultierende Verteilverluste gewinnen aufgrund des geringen Wärmebedarfs von Passivhäusern stark an Bedeutung.

Über das Lüftungssystem kann den Räumen in allen CEPHEUS-Projekten ausreichend Wärme zugeführt werden. In 8 der 14 Projekte besteht die Möglichkeit, dem Badbereich zusätzlich Wärme zuzuführen. Hierdurch wird eine höhere Raumtemperatur in den Bädern möglich.

Darüber hinaus wurden in einigen Projekten Einzelraumregelungen realisiert (Flächenheizungen bzw. Heizkörper in mehreren Zonen mit jeweils eigenem Raumthermostat). Aufgrund des hohen Wärmeschutzstandards von Passivhäusern sind keine hohen Temperaturgradienten zwischen einzelnen Zonen zu erwarten. Dies zeigte sich beispielhaft im Projekt Hannover während einer zweiwöchigen Intensivmessung (27. 11. 99 bis 10. 12. 99) in einem der Häuser. Die durchschnittlichen Lufttemperaturen verschiedener Zonen wiesen nur sehr geringe Unterschiede auf [Kaufmann 2001]. Die Abweichungen der Mittelwerte waren kleiner als 0,3 Kelvin (K). Die Zuluftheizung wird in Hannover nach einem zentralen Raumthermostat geregelt. Die geringen Differenzen weisen auf eine ausgewogene thermische Behaglichkeit in den Wohnräumen hin. Werden alle Häuser während der Heizzeit betrachtet, so zeigt sich, dass die Luftheizung eine individuelle Temperaturwahl zulässt und die Heizleistungen immer ausreichend waren. Die von den Nutzern eingestellte Raumlufttemperatur über die gesamte Heizzeit liegt im Spektrum der bewohnten Häuser zwischen 19,4 °C und 23,4 °C.

Auch Bauteilheizungen (Fußboden- oder Wandheizung) mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen lassen sich im Passivhaus einsetzen. Die geringen Vorlauftemperaturen führen bei der Nutzung von Wärmepumpen zu hohen Wärmepumpen-Arbeitszahlen [Feist 2000]. Beispiele für Bauteilheizung im Passivhaus finden sich in drei CEPHEUS-Projekten: eine Fußbodenheizung im Projekt Egg sowie Wandflächenheizungen in den Projekten Gnigl und Horn. Zur Einbringung der im Passivhaus üblichen Heizlasten (10 W/m²) sind Übertemperaturen der Heizflächen von etwa 1 K ausreichend [DIN 4725]. Der Heizflächenanteil kann relativ klein dimensioniert werden, auch hier können gegenüber konventionellen Gebäuden beträchtliche Kosten eingespart werden. Bauteilheizungen zählen jedoch zu den teureren Lösungen, die allerdings beim Betrieb mit geringen Vorlauftemperaturen eine gute Ergänzung zur Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen darstellt.

Bild 1: Hydraulikschema Projekt Gnigl nach Zeichnung von ECO Energiesysteme GmbH & CO., Gaissau (A).

Eine interessante Lösung der Wärmeverteilung wurde im Projekt Gnigl verwirklicht (Bild 1). Dort wird die zentral erzeugte Wärme für Warmwasser und Heizen gemeinsam im Warmwasserzirkulationssystem an die einzelnen Wohneinheiten verteilt. Über einen Wärmeübertrager wird dem ohnehin notwendigem Brauchwasser-Verteilsystem die Heizwärme entnommen und über Wandflächenheizungen den Räumen übergeben. Ein zusätzliches Heizwärmeverteilnetz entfällt hierdurch.

Wärmeversorgung

Die Wärmeversorgung von Passivhäusern unterscheidet sich von der gewöhnlicher Wohngebäude an entscheidender Stelle: Der Jahresheizwärmebedarf ist mit 15 kWh/(m² a) extrem niedrig. Durch die Energieeffizienz des Passivhauses gewinnt der Warmwasserwärmebedarf an Bedeutung und wird sogar zum dominierenden Wärmebedarf. Unter diesen veränderten Randbedingungen werden kleine, einfache Versorgungssysteme möglich und die Vielfalt der Lösungen nimmt zu. Durch die Dominanz der Warmwasserversorgung gegenüber der Heizwärmeversorgung werden primär effiziente und kostengünstige Systeme der Warmwasserversorgung gesucht; die Heizwärmeversorgung wird nebenbei miterledigt. Hierfür gibt es speziell angepasste Systeme. Daneben sind aber auch alle heutigen Versorgungsvarianten von konventionellen Häusern geeignet. Eine Übersicht der in den CEPHEUS-Projekten eingesetzten Wärmeversorgungssysteme ist in Tabelle 1 dargestellt, einige besonders interessante Varianten werden nachfolgend erläutert.

Bild 2: Kompaktgerät zur Warmwasserbereitung und Zuluftnacherwärmung mit Hilfe einer Kleinwärmepumpe mit der Fortluft als Wärmequelle.

Eine Innovation in der Gebäudetechnik stellen Passivhaus-Kompaktaggregate dar (Prinzipschema in Bild 2). Die Baueinheit umfasst dabei die gesamte Lüftungstechnik, den Warmwasserspeicher und den Kleinstwärmeerzeuger. Derartige Wärmepumpen-Kompaktaggregate wurden in zwei Projekten eingesetzt. Als Wärmequelle dient die Fortluft nach dem Luft/Luft-Wärmeübertrager. Durch die Kombination mit einem Erdreichwärmetauscher im Frischluftstrang liegt die Fortlufttemperatur auch an kalten Tagen immer noch zwischen 6 °C und 10 °C. Zusätzlich enthält die Fortluft die gesamte latente Wärme des im Haus freigesetzten Wasserdampfes. Die der Fortluft entzogene Wärme wird im Wärmepumpen-Kompaktaggregat über ein Nachheizregister der Zuluft zugeführt. Zur Brauchwassererwärmung durchläuft ein zweiter Verflüssiger-Kreislauf den Wasserspeicher (CEPHEUS-Projekte in Dornbirn und Luzern).

Die gesamte Haustechnik samt Brauchwasserspeicher ist in zwei Einheiten mit jeweils einer Grundfläche von 0,6 m x 0,6 m untergebracht. Die vorläufige Auswertung erster Messergebnisse führt hier zu mittleren Arbeitszahlen zwischen 3,2 und 3,6 bei den extrem geringen Wärmeanforderungen eines Passivhauses (Messwerte aus Winter 2000/2001).

Wärmepumpen-Kompaktaggregate führen zu Systemvereinfachungen und zu Platzeinsparungen, da die Brennstoffbevorratung sowie das Abgassystem entfällt.

Bei im Passivhaus üblichen niedrigen variablen Kosten gewinnen die Investitionskosten der Wärmeversorgung zusätzlich an Bedeutung. Insbesondere bei Einfamilienhäusern und bei dezentraler Wärmeversorgung sind daher Kompaktaggregate interessant, die in industrieller Vorfertigung bereits alle Systemkomponenten der Haustechnik beinhalten.

Die Wärmeversorgung im CEPHEUS-Projekt in Egg sichert eine Erdreich-Wärmepumpe. Passivhäuser bieten hierfür sehr gute Randbedingungen. Der niedrige Wärmebedarf führt zu einer geringen Belastung des Erdregisters. Das Register kann entsprechend kleiner dimensioniert werden; das Rohrnetz von ca. 1200 m Länge, verlegt in acht Kreisen mit je 150 m (entspricht ca. 370 E Investitionskosten pro kW Verdampferleistung) müsste bei konventionellem Heizwärmebedarf drei bis vier mal länger sein. Die Erdtemperatur im Bereich des Kollektors beträgt zwischen 12 und 0 °C. Eine Frostbildung im Kollektor muss verhindert werden. In diesem Projekt wurde dies durch Anhebung der Soletemperatur über die Solaranlage erreicht, weil dadurch auch die Leistungsziffer der Wärmepumpe steigt [Krapmeier 2001].

Bild 3: Holzpelletsheizung im CEPHEUS-Projekt Kuchl.

Holzpelletsheizungen werden in fünf österreichischen Projekten eingesetzt. Bild 3 zeigt die Anlage im CEPHEUS-Projekt Kuchl, welche die Wärmeversorgung für zwei Mehrfamilienhäuser mit insgesamt 25 Wohneinheiten zur Verfügung stellt. In der linken Bildhälfte ist die Pellets-Fördereinrichtung zu erkennen, die dem 50 kW-Kessel den Brennstoff aus dem benachbarten Speicherraum zuführt. Zusätzlich liefert eine 75 m² Solaranlage in Indachausführung Wärme in den zentralen Pufferspeicher.

Im Projekt Wolfurt belädt ebenfalls ein Holzpelletskessel neben einer thermischen Solaranlage einen Pufferspeicher. Die zentrale Wärmeversorgung des Mehrfamilienhauses deckt den Bedarf an Raumwärme und Warmwasser. Der Pelletsbunker umfasst etwa 18 m³ bei zehn Wohneinheiten. Holzpellets sind als nachwachsende Rohstoffe nahezu CO₂-neutral. Die Kombination mit einer Solaranlage führt in diesem Projekt zu hervorragenden Primärenergie-Kennwerten der Wärmeversorgung.

Bild 4: Fassadenkollektor. Schnitt horizontal [Energieinstitut 2001].

Im CEPHEUS-Projekt Hörbranz werden fassadenintegrierte Kollektoren eingesetzt; Kollektor und Außenwandelement sind nicht thermisch getrennt. Das vorgefertigte in Holz ausgeführte Kollektorelement wird auf einer Holzunterkonstruktion befestigt (Bild 4). Die Vorteile der Fassadenintegration liegen in der verbesserten Wärmedämmung des Kollektors, der Kostenreduzierung und der Schneefreiheit im Winter. Neben einer gemeinsamen Nutzung der Außenbauteildämmung verringert der integrierte Kollektor durch seine höhere Absorbertemperatur gegenüber der Außenluft auch die Transmissionsverluste des Außenbauteils.

Aufgrund der 90°-Neigung reduziert sich der Jahresertrag der Solaranlage gegenüber der optimalen Neigung, während der saisonale Ertrag im Winter zunimmt und über das Jahr gesehen ausgeglichener ist.

Bild 5: Projekt Hörbranz mit Fassadenkollektor (Architekt: Caldonazzi).

Zusammenfassung und Fazit

Die Erfahrungen und messtechnischen Auswertungen der CEPHEUS-Projekte haben gezeigt, dass an unterschiedlichen Standorten mit verschiedenen Bauweisen Passivhäuser errichtet werden können, welche die projektierte spezifische Heizleistung unter 10 W / m² Energiebezugsfläche einhalten. Die hohe Qualität der Gebäudehülle ermöglicht es, Passivhäuser mit einfachen, kompakten und kostengünstigen Lösungen für Heizung, Warmwasser und Lüftung auszustatten. Geringe Heizleistungsanforderungen ermöglichen auch Systeme, die auf geringe Vorlauftemperaturen angewiesen sind, wie beispielsweise Wärmepumpen und Solaranlagen. Die Vielfalt der möglichen Versorgungsvarianten nimmt zu, weil z. B. die Kapazitäten für die Brennstoffbevorratung bei Jahresheizwärmeverbräuchen unter 15 kWh/(m² a) leichter handhabbar werden. Eine primärenergetisch günstige Versorgung mit nachwachsenden Rohstoffen - wie etwa Holzpellets - kann im Passivhaus auch für den Geschosswohnungsbau an Bedeutung gewinnen. Daneben bieten Kompaktaggregate mit Kleinstwärmepumpen und direktbeheizten Warmwasserspeichern interessante Perspektiven.

CEPHEUS-Projekt	Wärmeversorgungssystem (Hauptwärmeerzeuger in Fettdruck)
Hannover (D)	Fernwärme und Solaranlage für Warmwasser
Kassel (D)	Fernwärme
Gothenburg (S)	Solaranlage für Warmwasser, elektrisches Nachheizregister
Egg (A)	Erdreich-Wasser-Wärmepumpe für Heizung und Warmwasser, Pufferspeicher, Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung
Hörbranz (A)	Gasbrennwert-Therme bzw. Luft/Luft-Wärmepumpe (aus der Fortluft), Pufferspeicher, Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung
Wolfurt (A)	Holzpelletskessel für Heizung und Warmwasser, Pufferspeicher, Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung
Dornbirn (A)	Luft/(Luft/Wasser)-Wärmepumpe (aus der Fortluft, mit Brauchwassererwärmung), Pufferspeicher, Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung
Gnigl (A)	Holzpelletskessel für Heizung und Warmwasser, Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung
Kuchl (A)	Holzpelletskessel für Heizung und Warmwasser, Pufferspeicher, Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung
Hallein (A)	Holzpelletskessel für Heizung und Warmwasser, Pufferspeicher, Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung
Horn (A)	Holzpelletskessel für Heizung und Warmwasser, Pufferspeicher, Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung
Steyr (A)	Gasbrennwert-Therme, Solaranlage für Warmwasser mit Pufferspeicher
Luzern (CH)	Luft/(Luft/Wasser)-Wärmepumpe (aus der Fortluft) für Heizung und Brauchwasser
Rennes (F)	Fernwärme, Pufferspeicher, Solaranlage für Warmwasser mit Pufferspeicher

*) Oliver Kah, Rainer Pfluger, Dr. Wolfgang Feist, Passivhaus Institut Darmstadt; www.passiv.de

**) Eine vollständige Dokumentation der wissenschaftlichen Begleitung und Auswertung findet sich in [Schnieders 2001].

L i t e r a t u r :

[DIN 4725]
DIN 4725 Teil 2: Warmwasser-Fußbodenheizung. Beuth-Verlag, Berlin (1992).

[Energieinstitut 2001]
Energieinstitut Vorarlberg: Regeldetail Hörbranz Außenwand Fassadenkollektor, Dornbirn, Österreich, Energieinstitut Vorarlberg, 2001.

[Feist 2000]
Feist, Wolfgang: Varianten für die Wärmeversorgung von Passivhäusern im Vergleich, Protokollband 20, Darmstadt, Passivhaus Institut, September 2000.

[Kaufmann 2001]
Kaufmann, Bertold und Wolfgang Feist: Vergleich von Messung und Simulation am Beispiel eines Passivhauses in Hannover Kronsberg, CEPHEUS 21, Darmstadt, Passivhaus Institut, Juni 2001.

[Krapmeier 2001]
Krapmeier, Helmut, Müller, Eva: Mehrfamilienhaus Egg, CEPHEUS-Projektinformation Nr. 23, Herausgeber: Energieinstitut Vorarlberg, Dornbirn, Juni 2001

[Schnieders 2001]
Schnieders, J., Feist, W., Pfluger R., Kah, O.: CEPHEUS-Wissenschaftliche Begleitung und Auswertung - Endbericht; Projektinformation Nr. 22, Passivhaus Institut, Darmstadt 2001

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