IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 08/2005, Seite 52 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Der Vergleich: DIN EN 12831 mit DIN 4701

Vergleichsberechnungen und Differenzen zur Heizlastberechnung

Dipl.-Ing. Hans Markert*

Allgemein ist bekannt, dass seit Einführung der Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 es in vielen Fällen zu einer Erhöhung der Gebäude-Heizlast - gegenüber dem Berechnungsverfahren nach DIN 4701 - gekommen ist. Doch ein "Wie viel Mehr" stellt sich ein? Eine Antwort darauf soll der folgende Beitrag geben, in dem auch der Einfluss von verschiedenen Bauelementen wie Fenster und Türen auf die neue Berechnung aufgezeigt wird.

Seit Oktober 2004 ist die Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 in Verbindung mit dem nationalen Anhang verbindlich und ausschließlich anzuwenden. Dabei hat die neue Norm in Bezug auf die Berechnung der Transmissionswärmeverluste die gleichen physikalischen Grundlagen wie die DIN 4701 (Grundformel f = A · U · Dq). Durch die Berücksichtigung von Wärmebrücken in Anlehnung an DIN 4108-6 (Wärmeschutz in Gebäuden) und zwei weiteren Änderungen (Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche und Wegfall der Außentemperatur-Korrektur) kommt es zum Teil zu größeren Transmissionswärmeverlusten. Gravierende Unterschiede ergeben sich durch die gänzlich andere Berechnung des Lüftungswärmeverlustes, wobei in aller Regel der Verlust aus minimalem Luftwechsel (bei normalen Verhältnissen) einzusetzen ist. Des Weiteren kommt es zu einer Erhöhung des Gebäudelüftungswärmeverlustes, da der gleichzeitig wirksame Lüftungswärmeanteil V entfallen ist. Allerdings kennt die DIN EN 12831 auch nicht mehr den Auslegungszuschlag für Raumheizeinrichtungen nach DIN 4701-3 mit x = 1,15, sodass eine gewisse Relativierung zumindest für den Raumwärmeverlust vorliegt.

Im Folgenden werden die einzelnen Unterschiede größenordnungsmäßig betrachtet und gegenübergestellt. Alle Beispiele beziehen sich auf eine Raumtemperatur von 20°C und eine Außentemperatur von -10°C und behandeln das ausführliche Verfahren. Die Zusatz-Aufheizleistung bei unterbrochenem Heizbetrieb wird in dieser Gegenüberstellung nicht behandelt.

Transmissionswärmeverluste eines Raumes

Zunächst werden die Transmissionswärmeverluste direkt an die Außenluft betrachtet. Dabei ergeben sich höhere Verluste aus folgenden drei Gründen:

1. Aufnahme des Wärmebrückenzuschlags für alle Außenflächen

Der Wärmebrückenzuschlag muss bei allen Flächen mit Außenverlusten in die Berechnung aufgenommen werden. Bei bauseitiger Berücksichtigung von Wärmebrücken beträgt dieser DU_WB = 0,05 W/(m² · K) und ohne bauseitiger Berücksichtigung DU_WB = 0,10 W/(m² · K).

2. Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche durch Berücksichtigung der Wanddicken

Die wärmeübertragende Fläche vergrößert sich durch die Berücksichtigung der Wanddicken, das heißt zu den lichten Rohbauinnenmaßen des Raumes müssen die Außenwanddicke(n) bzw. die halbe(n) Innenwanddicke(n) hinzugerechnet werden.

3. Keine Außentemperatur-Korrektur DJ_a

Höhere Wärmeverluste können sich auch durch den Wegfall der Außentemperatur-Korrektur DJ_a (bei schweren und sehr schweren Gebäuden) ergeben.

Beispiel 1: Die Auswirkung dieser drei Änderungen bewirkt bereits eine Steigerung des Transmissionswärmeverlustes um 35%, bei einer Außenwand mit einem U-Wert von 0,35 W/(m² · K), einer Länge von 5,00 m und einer Geschosshöhe von 2,85 m (Tabelle 1).

Tabelle 1: Lediglich der Einfluss des Wärmebrückenzuschlages sowie die Vergrößerung der wärmeübertragenden Flächen und der Wegfall des Außentemperatur-Korrekturwertes bewirken bereits im Beispiel eine Steigerung des Transmissionswärmeverlustes um 35%.

Einfluss von Fenstern und Türen

Die Erhöhung des Transmissionswärmeverlustes gegenüber der DIN 4701 relativiert sich jedoch, wenn in den Außenwänden Fenster bzw. Türen vorhanden sind. Der Grund: ein Wärmebrückenzuschlag von beispielsweise 0,05 W/(m² · K) wirkt sich auf den U-Wert eines Fensters mit 1,60 W/(m² · K) weniger stark aus als auf eine Wand mit einem U-Wert von 0,35 W/(m² · K). Im konkreten Fall (als Ergänzung zum Beispiel 1) sinkt die Erhöhung des Transmissionswärmeverlustes gegenüber der DIN 4701 auf 24%, bei einer Fensterabmessung von 1,65 · 1,56 m (Tabelle 2).

Tabelle 2: Fenster und Türen haben einen mindernden Einfluss auf die Erhöhung des Transmissionswärmeverlustes.
Berechnung nach DIN 4701

Berechnung eines Musterraumes

Beispiel 2: Im Folgenden wird ein Eckraum mit den Abmessungen 5 · 4 m und einer Geschosshöhe von 2,85 m berechnet. Die lange Innenwand (U-Wert = 1,30 W/(m² · K)) mit einer Innentür (U-Wert = 2,0 W/(m² · K)) grenzt an einen Flur mit 15°C. Die kurze Innenwand, die Decke und der Fußboden grenzen an Räume gleicher Innentemperatur und werden deshalb nicht berechnet. Des Weiteren verfügt der Raum über zwei Außenwände, wobei sich in der langen Außenwand das zuvor beschriebene Fenster befindet (Tabelle 3). Das Ergebnis zeigt eine Erhöhung des Transmissionswärmeverlustes von 25%.

Tabelle 3: Die Berechnung eines Musterraumes zeigt, dass der Transmissionswärmeverlust (bei einem Fensterflächenanteil von circa 20%) gegenüber der DIN 4701 um etwa 25% steigt.
Berechnung nach DIN 4701

Fazit Transmissionswärmeverluste

Bei einem Fensterflächenanteil von circa 20% kommt es (aufgrund der drei zuvor genannten Änderungen) zu einer Erhöhung des Transmissionswärmeverlustes von etwa 25% gegenüber der alten Norm. Bei einem größeren Fensterflächenanteil sinkt die Erhöhung weiter.

Transmissionswärmeverluste an das Erdreich

Bei erdreichberührten Bauteilen kommt es auch zu einer Erhöhung der Transmissionswärmeverluste, in einer Größenordnung von rund 15 - 20%. Ein Beispiel zeigt die Tabelle 4 mit einer Gebäudefläche von 200 m² (20 · 10 m). Für die Berechnung wurde der Eckraum aus dem Beispiel 2 angesetzt. Tendenziell kann wohl ausgesagt werden, dass sich die Bodenflächen gegenüber den Wänden nicht so stark auf die Erhöhung auswirken.

Tabelle 4: Bei den Transmissionswärmeverlusten an das Erdreich stellt sich ebenfalls eine Erhöhung von durchschnittlich 15 - 20% heraus, auch bei verschiedenen Grundwassertiefen bzw. Wandhöhen im Erdreich.
Vergleich Transmissionswärmeverluste an Erdreich

Lüftungswärmeverluste eines Raumes

Zunächst die grundsätzlichen Unterschiede zwischen der DIN 4701 und der DIN EN 12831 im Überblick:

DIN 4701 berechnete den Lüftungswärmeverlust in Abhängigkeit der tatsächlichen Fugenlängen und eines speziellen Fugendurchlasskoeffizienten mit S (a · l). DIN EN 12831 geht von einer generellen Luftdichtheit der Gebäudehülle aus (n₅₀). Weiterhin fließt in die Berechnung des Lüftungswärmeverlustes das Raumvolumen ein, sodass bei großen Räumen (auch mit wenigen Fenstern) schon große Lüftungswärmeverluste berechnet werden.
Weiterhin berücksichtigt die neue Norm keine Auftriebskräfte (Kaminwirkung) bei Hochhäusern. In der alten Norm wurden die Auftriebskräfte ab 10 m (= 4-stöckiges Haus) mit dem Faktor e_SA für die angeströmte Seite und e_SN für die nicht angeströmte Seite berücksichtigt. Diese Werte konnten beispielsweise im EG eines 100 m hohen Gebäudes einen Wert von bis zu dem 12,9fachen des Lüftungswärmeverlustes gegenüber einem gleichen Raum in einem Gebäude bis zu 10 m Höhe ausmachen. In diesen Fällen nahm der Lüftungswärmeverlust gegenüber dem Transmissionswärmeverlust eine dominierende Rolle ein.
Beide Normen berücksichtigen mit dem Höhenkorrekturfaktor e_GA bzw. e den Windeinfluss bei hohen Gebäuden, wobei die Werte aus der DIN 4701 in die DIN EN 12831 übernommen wurden. Des Weiteren zeigt sich, dass bei hoher Qualität der Fensterdichtheit oft der Lüftungswärmeverlust aus dem Mindest-Luftwechsel überwiegt (wie bereits in der alten Norm). Dies trifft insbesondere bei guter oder moderater Abschirmung zu.

Berechnung des Musterraumes

Beispiel 3: Für den Musterraum aus dem Beispiel 2 (Transmissionswärmeverlustberechnung) soll eine Vergleichsberechnung für eine moderate Lage und hohe Dichtigkeit (ohne RLT-Anlage) durchgeführt werden.

Tabelle 5: Vergleich des Lüftungswärmeverlustes eines Raumes mit 52 m³ und einer Fenster-Fugenlänge von 6,42 m.

Raumabmessungen (lichte Masse): 5,0 · 4,0 · 2,6 m = 52 m³, Fenster: 1,65 · 1,56 m, Fugenlänge = 6,42 m (Tabelle 5). Die Beispielberechnung zeigt, dass die neue Norm ein geringeres Ergebnis im Lüftungswärmeverlust aufweist, wobei die Differenzen zur DIN 4701 immer größer werden, je mehr Fenster im Raum vorhanden sind (bei gleichem Raumvolumen). Zwei Fenster würden den doppelten Lüftungswärmeverlust nach DIN 4701 bedeuten, während dieser jetzt von der Anzahl der Fenster unabhängig ist. Des Weiteren ist zu ersehen, dass der Lüftungswärmeverlust aus minimalem Luftwechsel bei weitem den aus der Infiltration übersteigt (bei beiden Normen). Erst bei drei Fenstern in diesem Raum würde der Lüftungswärmeverlust nach DIN 4701 mit 3 · 94 W = 282 W über dem Mindestwert liegen, während das Ergebnis nach DIN EN 12831 bei 64 W konstant bliebe.

Große Räume

Für einen sehr großen Raum mit beispielsweise 100 Fenstern soll unter gleichen Bedingungen die Vergleichsberechnung durchgeführt werden, wobei zwei dem Wind ausgesetzte Fassaden angenommen werden (e = 0,03). Raumabmessungen (lichte Masse): 100 · 50 · 4 m = 20.000 m³, 100 Fenster: 1,65 · 1,56 m, Fugenlänge = 642 m (Tabelle 6). Aufgrund des großen Raumvolumens berechnet zwar diesmal die DIN EN 12831 erheblich größere Lüftungswärmeverluste als die DIN 4701 (etwa das 4fache), aber auch hier überwiegt ganz der Lüftungswärmeverlust aus minimalem Luftwechsel und dies bei beiden Normen. Für den Fall, dass ein Gebäude weniger dicht ist und sich in einer windreichen Lage befindet oder bei Räumen über 10 m Höhe, wird der Lüftungswärmeverlust häufig aus Infiltration berechnet (Einzelhaus, normale Abdichtung, n₅₀ = 6 und keine Abschirmung, e = 0,05). Im Vergleich zur DIN 4701 kann also ausgesagt werden, dass nur dann eine Mehrleistung bei normalen Fällen (Berechnung des minimalen Luftwechsels) auftritt, wenn nach der alten Norm eine Außentemperaturkorrektur vorgenommen wurde. In dem Beispiel beträgt die Mehrleistung bei einer Außentemperaturkorrektur von 2 K circa 7%. Nach Auffassung des Autors war jedoch die Außentemperaturkorrektur (nach DIN 4701) physikalisch falsch, denn die Infiltration von Außenluft durch die Undichtigkeiten des Gebäudes hat nichts mit der Speicherfähigkeit des Gebäudes zu tun.

Tabelle 6: Vergleich des Lüftungswärmeverlustes eines Raumes mit 100 Fenstern, 20.000 m³ und einer Fenster-Fugenlänge von 642 m (e = 0,03).

Gebäude über 10 m Höhe

Bei einer Vergleichsberechnung mit einem 100 m hohen Gebäude und der Zuordnung "dicht" zeigt sich, dass nicht immer der Lüftungswärmeverlust aus minimalem Luftwechsel eingesetzt wird (Tabelle 7). Dies ist nur in den untersten Geschossen der Fall. Ansonsten sind die Ergebnisse (beispielsweise im Erdgeschoss 3519 W zu 265 W) praktisch nicht mehr zu vergleichen.

Tabelle 7: Vergleichsberechnung bei einem 100 m hohen Gebäude und der Zuordnung "dicht". Lage: moderat, Eckraum, zwei Fenster (Fugenlänge gesamt = 12,84 m), Raumvolumen: 52 m³. Der geringe Einfluss der Außentemperaturkorrektur wurde in diesem Beispiel nicht berücksichtigt.

Zusammenfassung

Bei der raumweisen Betrachtung (Gebäude bis 10 m Höhe) kommt es aufgrund des annähernd gleichen Lüftungswärmeverlustes zu einer geringeren Erhöhung der Raumheizlast gegenüber der DIN 4701 von etwa 18% (Tabelle 8). Betrachtet man noch, dass der Auslegungszuschlag nach DIN 4701-3 von x = 1,15 (= + 15%!) entfällt, so relativiert sich der Unterschied der Mehrleistung von der DIN EN 12831 zur DIN 4701 weiter.

Tabelle 8: Zusammenfassung der Vergleichsberechnungen und Ermittlung der Raumheizlast bei einem Gebäude bis zu 10 m Höhe. Die Erhöhung von 18% relativiert sich jedoch, da der Auslegungszuschlag nach DIN 4701-3 von x = 1,15 (= + 15%) entfallen ist. Für den Fall, dass die Außentemperatur-Korrektur vernachlässigt worden wäre, wären dann die Ergebnisse annähernd gleich.

Gebäudeheizlast

Wie in DIN 4701 berechnet sich der Transmissionswärmeverlust für das Gebäude aus der Summe der einzelnen Räume. Mithin erhält man einen um circa 25% erhöhten Gebäude-Transmissionswärmeverlust. Es wurde gezeigt, dass der raumweise Lüftungswärmeverlust bei "normalen" Gebäuden bis 10 m = 4-stöckig und in moderater Lage sowie normaler Dichtigkeit sich aus dem Mindestluftwechsel berechnet und somit - obwohl der Lüftungswärmeverlust aus Infiltration gänzlich anders berechnet wird - gleich ist.

Ein bedeutender Unterschied besteht aber in dem Umstand, dass die DIN EN 12831 die Summe des Mindest-Lüftungswärmeverlustes nicht mehr mit dem gleichzeitig wirksamen Lüftungswärmeanteil z multipliziert. Unter der Annahme, dass also raumweise der Lüftungswärmeverlust aus dem Mindestwert berechnet wird, verdoppelt sich in den meisten Fällen der Gebäude-Lüftungswärmeverlust (bei einem Lüftungswärmeanteil z von 0,5).

Tabelle 9: Bei dem Vergleich der Gebäudeheizlast kommt es durch den Wegfall des gleichzeitig wirksamen Lüftungswärmeanteils z (hier mit 0,5 angenommen) zu einer Erhöhung von rund 45%. Dies wirkt sich allerdings nur auf die Auslegung des Heizkessels aus.

Beispiel (Tabelle 9): Zur Abschätzung der Größenordnung wird angenommen, dass der Lüftungswärmeverlust 40% der Gesamtsumme aus Transmission und Lüftung beträgt. Transmissionswärmeverlust aller Räume: SQ_T = 6000 W, Lüftungswärmeverlust aller Räume: SQ_L = 4000 W.

Aus diesem Beispiel ergibt sich eine Erhöhung der Gebäudeheizlast von circa 45%! Dies wirkt sich allerdings nur auf die Auslegung des Heizkessels aus. Da stellt sich natürlich die Frage, ob in diesem Punkt die DIN 4701 korrekt rechnete, denn was hat der Mindestlüftungswärmeverlust mit der Anströmsituation des Windes zu tun? Der gleichzeitig wirksame Lüftungswärmeanteil z hätte sich doch nur auf die natürliche Infiltration beziehen dürfen.

Letztlich bleibt nur noch das Argument: "Es ist doch bisher auch immer warm geworden!"

* Dipl.-Ing. Hans Markert, SeminarTeam

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