Die richtige Dosis finden - Die neue Quadriga

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Energieeffiziente Haustechnik
Die richtige Dosis finden
Autoren:
Kati Jagnow,
Ingenieurbüro für Energieberatung,
Braunschweig
Dieter Wolff,
Ostfalia Hochschule für angewandte
Wissenschaften, Wolfenbüttel
Es besteht
Regelungsbedarf
Im Niedrigenergiehaus sind
kleine und kleinste Heizleis -
tungen (heute nach Norm
„Heizlasten“ genannt) zu verzeichnen:
20 bis 40 W/m 2
Wohnfläche im Auslegungsfall,
also bei – 10 bis -14°C.
Im Durchschnitt (mittlerer
Teillastfall) wird sogar nur
etwa ein Drittel davon benötigt.
Besitzt die Hülle Passivhausniveau
oder wird eine
Lüftung mit Wärmerückgewinnung
in den Räumen eingesetzt,
verstärkt sich diese
Tendenz. Das Heizsystem ist
daher immer weniger der
Außentemperatur und immer
mehr inneren und solaren Lasten
unterworfen. Dies verschärft
sich in Räumen mit
hohem Fensterflächenanteil in
Süd-, Ost- oder Westausrichtung.
Die Bedeutung der zentralen
Regelung (Vorlauftemperatur
nach Außentemperatur oder
Temperatur eines Referenzraumes)
wird davon überlagert,
dass eine perfekte dezentrale
Regelung immer wichtiger
wird. Im Zusammenspiel mit
der Dynamik des eingesetzten
–46–
Was bei Heizflächen im Niedrigenergiehaus zu beachten ist
Viel hilft viel – nach diesem Prinzip wurden jahrzehntelang
Heizflächen eingebaut. Doch bei Gebäuden mit geringen
Heizlasten muss anders vorgegangen werden, da ansonsten
schnell unbehagliche Heizsituationen durch Übertemperaturen
entstehen können. Welche Aspekte dabei betrachtet werden
müssen, lesen Sie im zweiten Teil unsere Serie „Energieeffiziente
Heiztechnik“
Heizsystems kommt es auch
wesentlich darauf an wie die
Wärme übertragen wird, ob
z.B. von der trägen Fußbodenheizung,
über schwere Stahloder
sogar alte Gussradiatoren,
schnell reagierende Plattenheizkörper
mit Konvektionsblechen
bis hin zur flinken
Luftheizung.
Flächenheizungen maßvoll
einsetzen
Flächenheizungen haben es
im Niedrigenergiehaus schwer,
wenn sie schwer und träge
sind. Zudem hängt die präzise
Wärmeabgabe einer Flächenheizung
von der genauen
Oberflächentemperatur bzw.
dem Temperaturunterschied
zum Raum ab. Bei etwa 1 Kelvin
Temperaturunterschied
emittiert die Fläche 10 W/m 2 .
Für die im ersten Teil der Serie
beschriebenen Niedrigenergie-
und Passivhäuser ergeben
sich maximale Heizlas -
ten von 40 bis 10 W/m 2 . Die
sind mit 4 bis nur 1 K Temperaturunterschied
zwischen
Heizoberfäche und Raumluft
zu decken. Die Temperaturen
im Netz müssen extrem gering
und die Verlegeabstände der
Rohre im Boden zudem sehr
weit sein. Im Jahresmittel dritteln
sich die notwenigen Übertemperaturen
etwa (1,5 bis
0,3 K!). Das ist mit konventioneller
Reglertechnik kaum genau
einzuhalten. Daraus leiten
sich folgende Empfehlungen
ab:
• Flächenheizungen dürfen
eigentlich nicht mehr vollflächig
verlegt werden.
Wird die wärmeabgebende
Fläche verkleinert (Aussparen
des Randbereichs von Räu-
men), kann die Oberflächentemperatur
etwas höher sein.
• Es dürfen keine schweren
Estriche verwendet werden,
damit die Oberfläche flinker
wird.
Dies führt jedoch zusammen
mit dem großen Verlegeabstand
dazu, dass die Lage der
Rohre im Fußboden recht
deutlich zu spüren ist, weil die
ausgleichende Masse fehlt
(Temperaturwelligkeit auf der
Oberfläche).
• Außerdem müssen hochwertige
elektronische Regler
eingesetzt werden.
Trotzdem wird eine Flächenheizung
im Niedrigenergieoder
Passivhaus voraussichtlich
von Phasen der lokalen
Überwärmung begleitet sein.
Damit müssen die Nutzer umgehen
können. Ein Mehrverbrauch
- der relativ hoch sein
kann - ist dann zwar vorhanden.
Weil das Heizkostenniveau
insgesamt sehr niedrig
ist, ist er in absoluten Zahlen
gering, schlägt daher nicht so
sehr auf den Geldbeutel.
Die Schweizer [Schmid u.a.
1999] empfehlen den Verzicht
auf eine konventionelle Fußbodenheizung,
wenn der Fens -
terflächenanteil 30 Prozent
der beheizten Fläche überschreitet.
4/2010
Abb.1:
Heizsysteme in Niedrigenergiehäusern
sind immer weniger der Außentemperatur
und immer mehr inneren und
solaren Lasten unterworfen, vor allem
bei hohen Fensterflächenanteilen in
Süd-, Ost- oder Westausrichtung. Das
hat Folgen für die Auswahl und Auslegung
der Heizkkörper oder -flächen.
Das Konvektorprinzip stößt
an Grenzen
Der Einsatz von Konvektoren
in Gebäuden und Räumen
mit geringen Heizlasten ist
noch weitaus kritischer. Konvektoren
leben von dem Prinzip
des Auftriebs. Luft strömt
an den Konvektorblechen vorbei,
wird erwärmt, steigt auf
und zieht von unten frische
Luft nach. Das alles funktioniert
- wie beim Schornstein -
sehr gut, wenn die Konvektoren
eine hohe Temperatur haben.
Das Konvektorprinzip
reagiert sensibel auf zu niedrige
Vorlauftemperaturen.

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4/2010 –47–
Abb. 2:
Konvektorheizkörper – Kritisch bei zu
geringen Netztemperaturen.
Mindestwerte von etwa 50 bis
55°C sollten eingehalten werden.
Alternativ werden zusätzliche
raumweise Gebläse
benötigt. Damit sind Konvektoren
nicht die geeigneten
Heizsysteme für Niedrigenergie-
und Passivhäuser.
Auch in der Modernisierung
sind sie kritisch. Wenn die benötigten
Heizlasten z.B. durch
verbesserte Dämmung sinken,
müsste auch die Temperatur
im Netz gesenkt werden. Das
erfordert den Einsatz von Zusatzgebläsen,
deren Nachrüstbarkeit
nicht überall gegeben
ist. Alternativ wird die installierte
Heizfläche verkleinert,
z.B. durch teilweisen Rückbau.
Das funktioniert beispielsweise
in Schulen gut, wenn mehrere
Heizflächen pro Raum vorhanden
sind. Nach der gezielten
Abtrennung von einzelnen
Heizflächen vom Netz (aber
kein Ausbau wegen der Optik),
können die restlichen
Konvektoren mit hoher Temperatur
weiterbetrieben werden.
Es bleibt aber das Pro-
blem der hohen Wärmeverlus -
te des Netzes durch hohe Vorlauftemperaturen.
Die anderen heute üblichen
Heizkörpertypen, z.B. Plattenheizkörper,
auch Röhrenradiatoren
und bedingt Stahlradiatoren,
lassen sich dagegen
problemlos zur Beheizung von
Niedrigenergiegebäuden verwenden.
Spreizung und Mittelwert
müssen passen
Bei einer Neudimensionierung
wird immer wieder gefragt,
ob die Heizflächen eher
groß dimensioniert werden bei
geringem Temperaturniveau
(Vorlauf/ Rücklauf: 50/30° C
bis 55/45° C) oder ob man den
umgekehrten Fall anstrebt mit
hohem Temperaturniveau und
kleineren Heizflächen (65/45°
C bis 70/50° C). Wobei der
Übergang von „groß“ zu
„klein“ nirgends genau definiert
ist. Es sind zwei Hauptmerkmale
der Paarung zu bedenken:
ihr Mittelwert und
ihre Spreizung (Temperaturdifferenz
zwischen Vorlauf
und Rücklauf).
Hohe Mittelwerte führen zu
kleinen Heizflächen, kleine
Mittelwerte zu großen Heizflächen.
Es lassen sich damit
folgende acht Typen klassifizieren
(Tab. 1).
Vorteile von hohen Vorlauftemperaturen:
die Nutzer spüren
die Wärme und eine verstellte
Heizkurve lässt die
Über versorgung nicht ins Un-
Tabelle. 1: Geeignete Heizsysteme für energieeffiziente NEH in Abhängigkeit von den mittleren Systemtemperaturen und
der Spreizung von Vor- und Rücklauf.
Spreizung Mittelwert Typisch für
1 klein klein, etwa 50/40°C Brennwertheizung mit Therme, Brennwertheizung mit Kessel
2 klein mittel, etwa 60/50°C Brennwertheizung mit Therme
3 mittel klein, etwa 55/35° C Brennwertheizung mit Kessel, Wärmepumpen
4 mittel mittel, etwa 65/45° C Brennwertheizung mit Kessel, Niedertemperaturheizung und BHKW
5 mittel
hoch, etwa 70/55
oder 75/55° C
Niedertemperaturheizung und BHKW, Fernwärme, Wärmepumpen
6 groß klein, etwa 60/30° C Brennwertheizung mit Kessel, Fernwärme
7 groß mittel, etwa 70/40° C Fernwärmesysteme
8 groß hoch, etwa 80/50° C im Niedrigenergiegebäude nicht typisch
Energieeffiziente Haustechnik
endliche wachsen. Der Vorteil
kleiner Rücklauftemperaturen
bzw. Mitteltemperaturen ist,
dass der Brennwerteffekt besser
genutzt werden kann. Für
Fernwärme braucht man
große Spreizungen. Für Wärmepumpen
sind niedrige Vorlauf-
bzw. Mitteltemperaturen
erforderlich, um eine gute Arbeitszahl
zu erzielen.
Heizkörpertemperaturen
nicht frei wählbar
Im Neubau wird folgendermaßen
ausgewählt:
• der Bedarf des Raumes wird
festgestellt (maximale Heizlast),
• eine Temperaturpaarung
Vor- und Rücklauf wird
festgelegt (für den Tag der
maximalen Heizlast),
• aus dem Katalog wird ein
Heizkörper gewählt, der so
viel Fläche hat, dass er mit
den Wunschtemperaturen
die notwendige Leistung abgibt.
Dieses Vorgehen sei in Neubau
auch weiterhin empfohlen.
Bei der Sanierung von Gebäuden
ist der Vorgang ein
anderer. Es liegen normalerweise
zwei der drei Eingangsgrößen
bereits fest: der neue
Bedarf des Raumes (Heizlast)
und die Fläche bzw. die
Normleistung des Heizkörpers
(wie vor der Sanierung). Damit
ist die dritte Größe nicht
mehr frei wählbar. Die Heizkörpertemperaturen
ergeben
sich daraus!
Der Heizkörper muss nach
der Modernisierung des Hauses
eine bestimmte mittlere
Heizwassertemperatur aufweisen,
damit die bereits installierte
Fläche den vorhandenen
Raum ausreichend erwärmt.
Dieser Mittelwert aus Vorund
Rücklauftemperatur wird
dem Planer vordiktiert (z.B.
50° C). Er hat nur noch die
Freiheit, eine Vorlauftemperatur
zu wählen (z.B. 60° C oder
70° C). Die Rücklauftemperatur
ergibt sich dann automatisch
(hier entweder etwa 40°
C oder etwa 30° C). Die Rücklauftemperatur
in einer Anlage
kann also nicht festgelegt

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Energieeffiziente Haustechnik
Abb. 3:
Diese Temperaturspreizung zwischen
Vorlauf (60°C) und Rücklauf (52°C)
bietet noch gerade akzeptable Auslegungstemperaturen
für ein System
mit Brennwerttherme.
Abb. 4
Diese Heizkörperregelung eignet sich
nicht für das NEH. Zwei Heizkörper
mit je einem Thermos tatventil in einem
Raum verleiten zur Fehlbedienung.
Soll hier der Sollwert verringert
werden, müssen beide Ventile bedient
werden, sonst gleicht ein Heizkörper
den anderen aus.
werden. Sie wird nur indirekt
beeinflusst durch die Wahl der
Vorlauftemperatur bzw. der
Spreizung. Nicht jede Temperatur
ist möglich. Sie muss so
hoch sein, dass alle Räume
warm werden.
Sanierungsfall:
Bestandsaufnahme und
Neudimensionierung
Das Verhältnis der installierten
Heizkörperfläche bzw.
Normleistung zum Bedarf
(Heizlast) des jeweiligen Raumes
ist allerdings nicht überall
gleich. Räume profitieren
unterschiedlich von einer
(nachträglichen) Dämmung
bzw. einem Austausch der
Fenster. Auch vor der Dämmung
sind häufig nicht alle
Heizkörper gleichmäßig dimensioniert.
Das führt dazu,
dass die Räume eines Hauses
jeweils unterschiedliche Mitteltemperaturen
benötigen
–48–
und demzufolge auch unterschiedlicheRücklauftemperaturen
liefern.
Dies ist zu beachten, wenn
Wärmeerzeuger und sonstige
Komponenten der Anlagentechnik
wie Pumpen, voreinstellbare
Thermostatventile
u.ä. für die Modernisierung
gewählt werden. Zunächst ist
für jeden Raum (!) der Heizlastbedarf
zu berechnen, dann
sind die installierten Heizkörper
raumweise aufzunehmen
(Normheizkörperleistung).
Danach ist der ungünstigste
Raum festzustellen und die
Vorlauftemperatur so zu wählen,
dass dieser Raum ausreichend
warm wird. Anschließend
sind für alle Räume die
unterschiedlichen Rücklauftemperaturen
zu bestimmen.
Schließlich sind Vorlauftemperatur
und ein Mittelwert der
Rücklauftemperatur des Hauses
bekannt.
Dann erst kann die Entscheidung
getroffen werden,
ob z.B. ein Brennwertkessel
oder eine Wärmepumpe überhaupt
ohne Tausch von Heizflächen
in Betracht kommt.
Falls nicht ist der Austausch
einzelner Heizflächen sinnvoll.
Für Energiekonzeptersteller
gilt daher: Muss bereits
vor der eigentlichen Fachplanung
TGA über das neue Anlagensystem
entschieden werden,
ist zumindest zu bedenken,
dass im Zuge der Konzeptumsetzung
ggf. einzelne
bis schlimmstenfalls alle Heizflächen
getauscht werden
müssen.
Wenn zweierlei Heizflächen
eingesetzt werden
Die Kombination von zwei
Heizflächenarten in einem Gebäude,
d.h. Fußbodenheizung
und Heizkörperheizungen,
lässt sich wegen des unterschiedlichen
Temperatur -
niveaus nur mit zwei Pumpen
realisieren. Diese klassische
Neubauvariante erfordert mehr
Pumpenstrom als bei nur einer
Heizflächenart, ist ansonsten
jedoch ein gängiges, funktionierendes
Prinzip – aber nur
solange die Räu me jeweils
nur eine der beiden Heizflächenarten
aufweisen.
4/2010
Werden beide Heizflächen
in einem Raum installiert,
scheitert dieses System in der
Praxis meist an einer vernünftigen
Regelung, die eindeutig
definiert, wer Grundlast- und
Spitzenerzeuger ist. In Niedrigenergiegebäuden
ist der
Verzicht auf solche Kombinationen
anzuraten.
Da sowieso vielmehr kleine
Wärmeleistungen pro Raum
benötigt werden, fallen die
Volumenströme eher gering
aus. Wird die Heizlast dann
noch auf zwei Systeme verteilt,
bewirken die geringen
Heizwassermengen oft eine
schlechte Regelbarkeit.
Kritisch ist auch die Verwendung
von zwei Heizkörpern
mit je einem Thermostatventil
in einem Raum. Soll
hier der Sollwert verringert
werden, müssen beide Ventile
bedient werden, sonst gleicht
ein Heizkörper den anderen
aus. Oder die zweite Heizfläche
wird bewusst fast ausgestellt
und nur bei Engpässen
manuell in Betrieb genommen.
In Gebäuden mit kleiner
Heizlast reicht ein Heizkörper
pro Raum – dies spart Kosten
und verbessert die Regelbarkeit.
Alternativ können mehrere
Heizflächen in einem
Raum (z.B. größerem Wohnund
Essbereich) von einem
Thermostatventil aus geregelt
werden.
Fazit
Die Heizflächen eines Nie -
drigenergiegebäudes und zugehörige
Regler müssen mit
Bedacht gewählt werden, damit
die Einsparpotentiale des
hoch wärmegedämmten Baukörpers
im realen Betrieb
auch genutzt werden können.
Sonst drohen Mehrkosten im
laufenden Betrieb. �
Literaturverweise
[Schmid u.a. 1999] Schmid, C. et al;
Heizung, Lüftung, Elektrizität; vdf und
Teubner; Zürich und Stuttgart; 1999.