IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/2003, Seite 38 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Heizen und Kühlen in Niedrigenergie- und Passivhäusern

Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty*

Steigende Preise für Heizöl und Gas sowie das erhöhte Umweltbewusstsein führten in den vergangenen Jahren zur intensiven Suche nach Wegen, den Verbrauch zu reduzieren und neue Energiequellen für die Heizung nutzbar zu machen. Einerseits wurde der Wärmeschutzstandard bei Neubauten deutlich verbessert. Das Niedrigenergiehaus ist heute als Stand der Technik anzusehen. Die Zahl der noch weiter im Wärmeschutz verbesserten Passivhäuser steigt stetig. Andererseits erlangten Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien ihre Marktreife und hohe Betriebssicherheit: Wärmepumpen, Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung und Solaranlagen. Die Zusammenführung beider Wege, der Niedrigenergie- bzw. Passivhäuser sowie Systeme zur Nutzung regenerativer Energien, stellt eine besonders umweltschonende Lösung dar.

Vom Niedrigenergie- zum Passivhaus

Während der letzten Jahre konnten im Wohnungsbau erhebliche Fortschritte zur Reduzierung des Heizwärmebedarfs erreicht werden. So liegt der Jahresheizwärmebedarf für ein Einfamilienhaus im Bestand bei mehr als 200 kWh/(m2 · a). Vergleichbare Gebäude, die nach der Wärmeschutzverordnung (WSchV) von 1995 gebaut wurden, benötigen noch ca. 90 kWh/(m2 · a).

Obwohl die Definition eines Niedrigenergiehauses (NEH) auf keiner rechtlichen Grundlage beruht, kann davon ausgegangen werden, dass ein Einfamilien-Niedrigenergiehaus einen Heizwärmebedarf von weniger als 70 kWh/(m2 · a), ein Mehrfamilien-NEH von unter 55 kWh/(m2 · a) hat (Bild 1). Wichtigste Merkmale dieser Gebäudeart sind die gute Wärmedämmung aller Außenbauteile, eine möglichst luftdichte Gebäudehülle und die passive Nutzung von Sonnenenergie durch entsprechende Ausrichtung der Fensterflächen.

Bild 1: Entwicklung des Heizwärmebedarfs in Abhängigkeit des Baustandards (Einfamilienhaus, 3 bis 4 Personen, 150 m2 Nutzfläche, A/V = 0,84).

Passivhäuser unterschreiten den Heizwärmebedarf von Niedrigenergiehäusern noch einmal deutlich. Nach Auffassung von Dr. Wolfgang Feist, Leiter des Passivhaus Instituts Darmstadt, darf der spezifische Heizwärmebedarf dieser Gebäudeart höchstens 15 kWh/(m2 · a) betragen. Dieser Wert wird nachweislich von Passivhäusern erreicht.

Passivhäuser sind die konsequente Weiterentwicklung der Niedrigenergiebauweise. Die Transmissions- und Lüftungswärmeverluste werden bei ihnen so weit reduziert, dass der Heizwärmebedarf weitestgehend über die Sonneneinstrahlung und durch interne Wärmequellen, beispielsweise von Haushaltsgeräten, gedeckt werden kann. Erreicht wird dies im Wesentlichen durch folgende Maßnahmen:

Mechanische Wohnraumlüftung gewinnt Wärme zurück

Neben einer hochwirksamen Wärmedämmung ist für Niedrigenergie- und Passivhäuser die Luftdichtheit von entscheidender Bedeutung, da sonst die Lüftungswärmeverluste nicht im gewünschten Maße reduziert werden können. Für die Gesundheit und Behaglichkeit, aber auch zur Vermeidung von Bauschäden durch Feuchtigkeit ist jedoch ein Luftaustausch notwendig. Deshalb sind mechanische Lüftungssysteme in Häusern dieser Bauart praktisch zwingend erforderlich. Sie ermöglichen eine kontrollierte Wohnraumlüftung und können über einen Wärmetauscher über 80 Prozent der Wärme aus der Abluft zurückgewinnen.

Über ein Kanalsystem wird verbrauchte Luft aus Küche und Bad abgesaugt und die darin enthaltene Wärme in einem Wärmetauscher an die angesaugte Frischluft übertragen (Bild 2). Zu- und Abluft vermischen sich dabei nicht. Die erwärmte Zuluft wird anschließend den Wohn- und Schlafräumen zugeführt. Ist die Erwärmung der Frischluft unerwünscht, zum Beispiel im Sommer, kann über eine Bypassleitung der Wärmetauscher umgangen werden.

Bild 2: Wohnungslüftungssystem mit Wärmerückgewinnung.

Auch wenn alle zuvor genannten Kriterien bei Planung und Bau berücksichtigt wurden, benötigt ein Niedrigenergiehaus noch einen - wenn auch sehr kleinen - Wärmeerzeuger. Allerdings ist seine wichtigste Aufgabe nicht mehr die Beheizung der Räume, sondern die bedarfsgerechte Bereitstellung von warmem Trinkwasser. Eine moderne Kleinwärmepumpe kann dies ganzjährig erfüllen.

Wärmepumpen zum Heizen von Niedrigenergiehäusern

Moderne Wärmepumpen sind heute so effizient, dass sie monovalent, also ganzjährig als einziger Wärmelieferant sowohl für Heizzwecke als auch zur Trinkwassererwärmung eingesetzt werden können. Sie nutzen die Energie der Sonne, indem sie die im Erdreich, im Grund- bzw. Oberflächenwasser oder in der Luft gespeicherte Wärme in Heizwärme umwandeln (Bild 3).

In einer Kompressions-Wärmepumpe wird einer Wärmequelle (z.B. Außenluft) Wärme entzogen, indem ein Arbeitsmittel mit tiefem Siedepunkt in einem Wärmetauscher verdampft. Das nun gasförmige Arbeitsmittel wird dann in einem Kompressor verdichtet und erwärmt sich dabei. Unter hohem Druck stehend gibt es die Wärme über einen zweiten Wärmetauscher an das Heizungswasser oder einen Luftstrom ab und kondensiert dabei. Bevor das Arbeitsmittel wieder in den Verdampfer eintritt und der Kreislauf von neuem beginnt, wird in einem Expansionsventil der Druck abgebaut.

Bild 3: Funktionsprinzip einer Kompressions-Wärmepumpe.

Von der Wärme, die eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe zum Heizen abgibt, stammen etwa drei Viertel aus der Umwelt. Das restliche Viertel bezieht sie als Strom für den Antrieb des Verdichters. Da diese elektrische Energie im Verdichter in Wärme umgewandelt wird, kann sie ebenfalls zum Heizen genutzt werden.

Je niedriger der Temperaturhub ist, also letztendlich die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem, desto weniger Antriebsenergie wird für den Kompressor benötigt, und desto besser ist die Energieeffizienz. Wärmepumpen erzielen deshalb besonders hohe Leistungszahlen, wenn sie mit Niedertemperatur-Heizsystemen kombiniert werden, also zum Beispiel mit Fußbodenheizungen.

Sole/Wasser-Wärmepumpe

Die jeweils am besten geeignete Wärmequelle hängt von den örtlichen Gegebenheiten, der Lage des Gebäudes und dem Wärmebedarf ab. Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, da die Temperaturen darin über das ganze Jahr mit 8 bis 12°C relativ konstant sind. Über horizontal verlegte Erdkollektoren oder über senkrecht in die Erde versenkte Erdsonden wird die gespeicherte Wärme entzogen. Mit einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole) wird die Wärme zum Verdichter der Sole/Wasser-Wärmepumpe gefördert.

Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Wasser ist ebenfalls ein guter Speicher für Sonnenwärme. Selbst an kalten Wintertagen hält Grundwasser eine konstante Temperatur von 7 bis 12°C. Über einen Förderbrunnen wird Grundwasser entnommen und zum Verdampfer der Wasser/Wasser-Wärmepumpe transportiert. Anschließend wird das abgekühlte Wasser in einen Schluckbrunnen abgeführt.

Luft/Wasser-Wärmepumpe

Den geringsten Aufwand zur Erschließung einer Wärmequelle erfordert die Außenluft. Sie wird über einen Kanal angesaugt, im Verdampfer der Wärmepumpe abgekühlt und anschließend wieder an die Außenwelt abgegeben. Bis zu einer Außenlufttemperatur von minus 15°C kann eine moderne Luft/Wasser-Wärmepumpe noch Heizwärme erzeugen.

Natural Cooling: Kühlen mit der Wärmepumpe

An heißen Sommertagen sind die Temperaturen im Erdreich und im Grundwasser in der Regel niedriger als im Gebäudeinneren. Das niedrigere Temperaturniveau der "Wärmequelle" kann deshalb zur Kühlung genutzt werden. Dazu besitzen einige Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen eine so genannte "natural cooling"-Funktion.

Während des Kühlbetriebes bleibt die Wärmepumpe außer Betrieb. Die Regelung der Wärmepumpe steuert die Pumpe des Primärkreises an, um die Sole umzuwälzen. Über einen zusätzlichen Wärmetauscher im Primärkreis kann das Temperaturniveau der Wärmequelle (im Sommer ca. 8 bis 12°C) zur Kühlung des Gebäudes genutzt werden (Bild 4). Aufgrund der hohen Außenlufttemperaturen im Sommer ist diese Funktion bei Luft/Wasser-Wärmepumpen nicht möglich.

Bild 4: Anlagenschema für Kühlung mit Gebläsekonvektoren.

Zur Kühlung der Räume stehen folgende Systeme zur Auswahl:

Grundsätzlich ist die Kühlfunktion "natural cooling" in ihrer Leistungsfähigkeit nicht mit Klimaanlagen oder Kaltwassersätzen zu vergleichen. Auch wird keine Entfeuchtung der Luft vorgenommen. Die Kühlleistung ist abhängig von der Wärmequellentemperatur, die jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen sein kann. So wird die Kühlleistung erfahrungsgemäß zu Beginn des Sommers größer sein als zum Ende des Sommers.

Kompakte Systemlösung für Passivhäuser

Als Systemlösung für Passivhäuser werden Luft/Wasser-Wärmepumpen mit einer Anlage zur kontrollierten Wohnungslüftung kombiniert. Dabei nutzt die Wärmepumpe den Wärmeanteil der Abluft, der von der Wärmerückgewinnung der Lüftung nicht verwertet werden kann, und verwendet ihn zur Nacherwärmung der Zuluft oder zur Trinkwassererwärmung. Zusätzlich kann an diese Geräte auch noch eine Solaranlage zur Unterstützung der Trinkwassererwärmung angeschlossen werden. Diese Kompaktheizzentralen konzentrieren alle Baugruppen, einschließlich des Speicher-Wassererwärmers, auf etwa die Größe einer Kühl-Gefrier-Kombination (Bild 5).

Bild 5: Kompaktheizzentrale für die Versorgung eines Niedrigenergiehauses mit Wärme, Warmwasser und Luft.

Bereits in der Planungsphase eines Passivhauses muss der Einbau einer Kompaktheizzentrale und die Verlegung der Luftkanäle für die Wohnraumlüftung entsprechend berücksichtigt werden. Die Kompaktheizzentrale selbst ist anschlussfertig und deshalb nach kurzer Zeit betriebsbereit. Das im Bereich der Personalcomputer bestehende Motto des "Plug and Play", also des auf ein Mindestmaß reduzierten Aufwandes für die erste Inbetriebnahme eines technischen Gerätes, findet damit in der Heizungs- und Lüftungstechnik seine Entsprechung. 

An heißen Sommertagen kann der Wärmetauscher der Lüftung, der zur Wärmerückgewinnung dient, durch eine Bypass-Schaltung überbrückt werden. So wird die, relativ gesehen, kühlere Außenluft direkt in die Räume geleitet.

Eine aktive Kühlung der Zuluft kann ebenfalls erfolgen, da die Luft/Wasser-Wärmepumpe reversibel ausgeführt ist. Im Gegensatz zur natural cooling-Funktion, bei der die Wärmepumpe nicht im Betrieb ist, arbeitet die Wärmepumpe des Kompaktgerätes in dieser Betriebsart wie ein Kühlschrank: Im Verdampfer der Wärmepumpe wird der Zuluft über einen Solekreis Wärme entzogen und die so abgekühlte Luft zur Raumkühlung verwendet.

Die Versorgungssicherheit für extrem kalte Tage mit überdurchschnittlichen Wärmeverlusten des Gebäudes übernimmt ein integrierter Elektroheizstab, der sowohl auf die Raumheizung als auch auf die Trinkwassererwärmung wirkt. Eine solche Kompaktheizzentrale erreicht Jahresarbeitszahlen von 3,5 bis 4, das heißt, es wird bis zu viermal so viel Wärmeenergie abgegeben wie elektrische Energie zum Betrieb benötigt wird.

Fazit

Steigende Brennstoffkosten und größer werdendes Umweltbewusstsein sorgen dafür, dass zukünftig der Marktanteil von Wohnhäusern mit einem Heizwärmebedarf von unter 15 kWh/(m2 · a) ständig wächst. Der Energiebedarf für eine Trinkwassererwärmung bleibt allerdings unverändert erhalten, und eine kontrollierte Wohnungslüftung ist zur Vermeidung von Bauschäden durch Feuchtigkeit sowie für die Behaglichkeit zwingend notwendig. Deshalb wurden Kompaktheizzentralen speziell für den Einsatz in derartigen Häusern entwickelt. Sie vereinen einen Speicher-Wassererwärmer und die gesamte Lüftungstechnik auf der Fläche eines Kühlschranks. Ihre reversibel ausgeführte Luft/Wasser-Wärmepumpe erlaubt zudem eine aktive Kühlung der Zuluft. 

 

*) Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty, Viessmann Werke GmbH, Allendorf

B i l d e r :   Viessmann Werke GmbH, Allendorf

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