Heizlast nach DIN EN 12831: Den Verbrauch analysieren
Im ersten Teil des Beitrags (Die Lücke zwischen Regelwerk und Realität) wurden physikalische Grundlagen erklärt und dargestellt, warum die Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 zu überdimensionierten Wärmeerzeugern führt. Im zweiten Teil geht es um die Frage, wie solare Wärmegewinne mit vertretbarem Aufwand und ausreichender Genauigkeit berechnet werden können, und warum es sich lohnt, die Normlastberechnung einer Energieanalyse aus dem Verbrauch gegenüberzustellen.
Solare Wärmegewinne
Das Gebäude, das bereits im ersten Teil des Beitrags betrachtet wurde, ist nicht nach den Kriterien eines Passivhauses geplant. Es kann also nicht explizit eine besonders hohe solare Einstrahlung ins Gebäude erwartet werden. Dennoch leistet die Sonne natürlich auch in „normalen“ Gebäuden einen Beitrag als Wärmequelle.
Um herauszufinden, wie groß der Effekt ist, helfen in diesem Beispiel die stündlich erfassten Daten einer Wetterstation aus der Region, die ungefähr auf gleicher geodätischer Höhe wie das Gebäude und ca. 8 km Luftlinie davon entfernt liegt.
Aus diesen Stundenwerten lässt sich neben der täglichen Globalstrahlung die mittlere tägliche Außentemperatur ermitteln.Die Verteilung in Abb. 2 ist typisch: An besonders kalten Tagen (meistens im Januar) können in Oberbayern über 40% eines typischen täglichen Sommerwertes eingestrahlt werden. Das sollte nicht überraschen. Besonders kalt ist es bei wolkenlosem Himmel, aber gerade dann scheint ja die Sonne. Folglich ist an solch kalten Tagen mit Sonneneinstrahlung zu rechnen, die die reale Heizlast reduziert.
Trägt man pro Temperaturintervall einen Mittelwert der täglichen Globalstrahlung gegen die Intervallwerte auf, wird der Effekt des klaren, sonnenreichen Himmels bei niedrigen Außentemperaturen noch deutlicher (Abb. 3). Zur Visualisierung wurde zusätzlich eine Regressionskurve eingezeichnet.
Es ist durchaus aufwendig, die real nutzbare Sonneneinstrahlung für ein Gebäude zu berechnen. Der bayerische Solaratlas gibt Planern ein heuristisches Verfahren an die Hand, das es erlaubt, die Werte für Bayern vereinfacht zu ermitteln. Mit etwas Übung lässt es sich in eine Tabellenkalkulation implementieren, die recht schnelle Berechnungen mit ausreichender Genauigkeit ermöglicht.
Hierzu wird die Globalstrahlung nach Direkt- und Diffusstrahlung aufgeteilt. Der Einfluss des jahreszeitlichen Sonnenstands und die monatstypische Bewölkung führen dazu, dass sich die quantitative Aufteilung von Monat zu Monat ändert (vgl. Abb. 4).
70 % der Sonneneinstrahlung stammen im Januar und im Dezember in Bayern typischerweise aus dem diffusen Anteil und nur 30 % aus dem direkten, während von April bis Juni und von August bis September beide Anteile ungefähr gleich groß sind.
Nutzbar sind bei senkrecht stehenden Fenstern rund 75% der Diffusstrahlung, die auf einer horizontalen Fläche pro Quadratmeter gemessen werden.
Bei der Direktstrahlung muss man genauer hinsehen, weil außer der Fensterneigung auch die Himmelsrichtung den nutzbaren Anteil beeinflusst. Im Atlas sind dafür Farbkarten wie in Abb. 5 hinterlegt, aus denen abgelesen werden kann, wie hoch bei der jeweiligen Ausrichtung der nutzbare Direktstrahlungsanteil ist.
Treibt man die Genauigkeit nicht zu weit, kann man Zahlenwerte (vgl. Abb. 6) in eine Tabellenkalkulation übertragen und halbautomatisiert rechnen. Dabei ist natürlich auch der Durchlassgrad der Fenster zu berücksichtigen.
Als Ergebnis lässt sich für jeden Tag der nutzbare Wärmegewinn ermitteln: entweder in kWh Energieeinstrahlung oder – wenn die Energiemenge auf 24 Stunden verteilt wird – in kW (mittlere) Heizleistung.
In Abb. 7 ist die tägliche Heizlast, die sich nach Norm aus den Außentemperaturen ergibt, in Blau dargestellt. Die gelbe Kurve folgt den in zwei Flügeln des Beispielgebäudes nutzbaren solaren Wärmegewinnen, tagesgenau abgeschätzt nach der Heuristik des bayerischen Solaratlasses.
Für Abb. 8 wurden die beiden Kurven überlagert, sodass sich der Heizlastverlauf unter Berücksichtigung der solaren Gewinne ergibt. Das Diagramm zeigt, dass an vielen Tagen ein signifikanter Anteil der Heizlast durch die Sonne gedeckt werden kann, sodass sich an den meisten Tagen die reale Heizlast reduziert. Die Heizlastkurve flacht ab und die Spitzenwerte, die bei den niedrigsten Außentemperaturen auftreten, werden geringer – im Beispiel um ca. 2,5 kW.
Weil die solaren Gewinne nur in bestimmten Räumen des Gebäudes nutzbar sind, während andere Räume weiterhin geheizt werden müssen, bleibt auch an Tagen, an denen die nutzbare Sonnenheizlast größer als die Gebäude-Heizlast ist, eine Restheizlast für Räume, die nicht von der Sonne beschienen werden. Dynamische Ausgleichsströme innerhalb des Gebäudes berücksichtigt das Diagramm nicht. Es geht ja „nur“ darum, das Ausmaß des Effekts einigermaßen genau abzuschätzen.
Wird die reale maximale Heizlast durch ein Messverfahren bestimmt, kommt also in jedem Fall ein niedrigerer Wert heraus als bei der Berechnung gemäß DIN EN 12831. Nach diesen Überlegungen verschiebt sich die Heizgrenztemperatur durch solare Gewinne bei größeren Gebäuden nicht, weil z. B. nach Norden gerichtete Räume keine Vorteile durch solare Gewinne erfahren und weiterhin zu beheizen sind.
Aus Abb. 8 kann ein Wärmebedarf abgeschätzt werden, der mit 5,3 kW 6624 h/a = 35 100 kWh/a fast ein Viertel unter dem Bedarf von 46 400 kWh/a liegt, der im ersten Teil des Beitrags mit der Heizlast nach DIN EN 12831 berechnet wurde. Gemessen wurden übrigens rund 36.700 kWh/a. Das beschriebene Verfahren zur Berücksichtigung der solaren Gewinne kommt also auf einen 4,4% niedrigeren Wert und ist damit etwas zu optimistisch.
Dennoch belegt das Beispiel, dass aufgrund der solaren Gewinne die Normheizlast im realen Betrieb nicht erreicht wird. Nun geht es um die Frage, wie hoch die Heizlast tatsächlich ist.
Energieanalyse aus dem Verbrauch
Als der Autor 2010 eine Energieberaterausbildung an der Technischen Akademie Esslingen durchlief, stellte Prof. Wolff von der Ostfalia Hochschule Wolfenbüttel eine Methode zur Energieanalyse aus dem Verbrauch vor. Aus gemessenen Verbrauchsdaten lässt sich damit eine ganze Reihe von Aussagen zur thermischen Charakteristik eines Wärmeversorgungsobjektes (Gebäude, Nahwärmenetz) treffen, die wesentlich näher an der Realität sind als eine Energiebedarfsberechnung nach DIN V 18599 oder eine Heizlastberechnung nach DIN EN 12831. Die Methode wurde an mehreren Stellen ausführlich erläutert, z.B. in [1]. Diverse Normen und Richtlinien erwähnen sie zumindest in Beiblättern: DIN V 18599 Beiblatt 1, DIN EN 12831 Beiblatt 2, VDI 3807 Blatt 5.
Auch wenn die Energieanalyse aus dem Verbrauch mittlerweile in die Normung eingeflossen ist, scheint sie immer noch ein Graues-Mäuschen-Dasein zu fristen. Ob dies darauf hindeutet, dass an der Optimierung von Heizungssystemen kein allzu ausgeprägtes Interesse besteht? Oder ist es zu viel Physik?
Was auch immer die Ursache sein mag, die Analyse basiert auf einer ganz einfachen Überlegung: Ist in einem Gebäude ein Wärmemengenzähler vorhanden, der in aller Regel auch historische monatliche Werte abspeichert, dann lässt sich im Nachhinein der Verlauf der realen Heizlast in Abhängigkeit von der Außentemperatur auswerten. Wärmemengenzähler gibt es in vielen größeren Nichtwohngebäuden und in Gebäuden, die an eine Fernwärmeversorgung angeschlossen sind. Sie zeichnen oft Werte für 12 bis 14 Monate auf, manche sogar für 36 Monate. Die Außentemperaturwerte, die leider fast nur in modernen Heizungsregelungen gebäudespezifisch geloggt werden, besorgt man sich von einer nahe liegenden Wetterstation oder aus den Datenbanken des Deutschen Wetterdienstes.
Wenn die Wärmemengenzähler richtig konfiguriert sind – hier sind durchaus „murphylogische“ Überraschungen möglich – kann man stichtagsgenau die monatlich verbrauchten Wärmemengen und die daraus ermittelte Heizleistung gegen die mittleren Außentemperaturen in einem Monat auftragen. Dies sollte in guter Näherung eine Gerade ergeben, da Transmissions- und Lüftungsverluste proportional zur Temperaturdifferenz zwischen innen und außen sind (s. auch Teil 1 des Beitrags, Abschnitt „Wärmefluss und Wärmequellen“).
Interne und solare Gewinne schränken die Proportionalität etwas ein, z.B. durch längere Schlechtwetterperioden mit geringer solarer Einstrahlung oder dadurch, dass manche Nichtwohngebäude in Ferienzeiten leer stehen, sodass interne Wärmegewinne durch menschliche Abwärme in dieser Zeit eher klein sind. Außerdem weichen die Temperaturmesswerte der Wetterstation von gebäudeindividuellen Außentemperaturen immer etwas ab. Diese Einschränkungen muss man kennen.
Aus der Auswertung in Abb. 9 lassen sich leicht die Heizgrenztemperatur, die Normheizlast und der Gebäude-Wärmeverlustkoeffizient des Beispielgebäudes ermitteln:
- Die Heizgrenztemperatur wird dort abgelesen, wo die Regressionsgerade die x-Achse schneidet. In unserem Beispiel ist sie mit 17,4 °C relativ hoch.
- Die Normheizlast ergibt sich durch Extrapolation der Regressionsgeraden auf 16 °C. Unter Berücksichtigung von internen und solaren Wärmegewinnen kommt sie im Beispiel auf 17,1 kW.
- Der Gebäude-Wärmeverlustkoeffizient beträgt in diesem Fall 0,51 kW/K.
Bei einer angenommenen oder gemessenen mittleren Raumtemperatur von 21 °C ist direkt die mittlere Summe der solaren und inneren Wärmegewinne abzulesen. Nach Abb. 9 sind es 1,8 kW. Ohne diese Wärmegewinne wäre also die Heizlast im Mittel um ca. 1,8 kW höher.
Die Ergebnisse der Normlastberechnung und der Energieanalyse aus dem Verbrauch sind in Abb. 10 und 11 gegenübergestellt. Im Diagramm fällt vor allem die unterschiedliche Steigung der Geraden auf, die wiederum durch den Verlustkoeffizienten des Gebäudes bestimmt wird.
Die Berechnung nach Norm ergibt einen wesentlich steileren Verlauf als die Auswertung der Messergebnisse. Gleichzeitig ist die gemessene Heizgrenztemperatur höher als die berechnete. Ursache dafür dürfte vor allem das Lüftungsverhalten im realen Betrieb sein. Wenn es draußen sehr kalt ist, werden Fenster signifikant weniger häufig geöffnet als bei milden Außentemperaturen. An den ersten wärmeren Frühlingstagen wird leicht ein geöffnetes Fenster vergessen. Dann unterstützt die Heizung direkt die Erwärmung der Erdatmosphäre ohne den Umweg über CO2-Emissionen.
Die etwas höhere Minimaltemperatur von 14°C, die in der Berechnung angenommen wurde, macht sich ebenfalls im Verlustkoeffizienten bemerkbar. Für den Wärmestandard des 2011 errichteten Gebäudes ist die theoretisch ermittelte Heizgrenztemperatur mit ca. 12,5°C eher niedrig.
Abb. 11 gibt Ergebnisse einiger Energieanalysen aus dem Verbrauch (E-A-V) wieder. Es handelt sich durchweg um Nichtwohngebäude: ein Schulkomplex, ein Kindergarten, eine Gaststätte mit Nebengebäudeanbau als Duschbereich für Sportanlagen, eine Weiterbildungsstätte sowie ein Bürogebäude. Im Gebäude #1 ist übrigens ein zweiter, fast gleicher Kessel eingebaut, der aber kaputt ging und nicht vermisst wird. Vergleicht man die Nutzungsgrade verschiedener Kesseltypen (Abb. 7 im ersten Teil des Beitrags) wird ersichtlich, dass Gebäude #5 allein durch den Tausch des Kessels ohne weitere Gebäudesanierung eine um 10 bis 15 % bessere Effizienz erreichen könnte.
Die Tabelle enthält auch das oben betrachtete Beispielgebäude. Dessen Wärmepumpe wurde viel zu groß ausgelegt. Ihre Nennleistung ist fast doppelt so hoch wie die nach E-A-V erforderliche.
Übrigens ist die Heizgrenztemperatur nicht nur eine theoretische Größe, sondern beim Einstellen der Heizung zu berücksichtigen. Nach unserer Erfahrung werden jedoch viele Anlagen mit dem Standardwert des Herstellers betrieben. Als Grenzwert, ab dem die Heizung Wärme bereitstellen soll, sind oft 20°C eingestellt, statt z. B. 17,4°C (aus unserem Beispiel). Zwar fordern die Heizkörper keine Wärme aus der Zentrale an, wenn die Außentemperatur über der Heizgrenztemperatur liegt, die Umwälzpumpen laufen aber weiter. Sie verursachen dabei unnötigen Stromverbrauch und überflüssige Wärmeverluste, weil in den Leitungen warmes Heizungswasser zirkuliert, das im Gebäude nicht benötigt wird. Dazu kommen Bereitstellungs- und Abgasverluste des Kessels. Anhand der oben verwendeten Klimadaten lässt sich die Größenordnung abschätzen:
Eine 100 W-Pumpe verbraucht in 2232 h immerhin 223 kWh Strom. Gleichzeitig verliert eine einfach gedämmte Heizungsleitung mit einem U-Wert von 0,18 W/mK und einem spezifischen Verlust von 5,4 W/m auf einer Länge von 400 m in dieser Zeit rund 4800 kWh Wärme und der Kessel durch Bereitstellungsverluste weitere rund 500 kWh.
[1] Jagnow, Wolff. E-A-V: Energieanalyse aus dem Verbrauch. TGA-Fachplaner 9-2004
Zusammenfassung
Aus den Ergebnissen der Energieanalyse aus dem Verbrauch und den Überlegungen der vorangegangenen Abschnitte ergeben sich folgende Erkenntnisse:
- Die theoretisch nach der Norm ermittelte Heizlast ist prinzipiell zu hoch.
- Hauptursache dafür sind die nicht berücksichtigten solaren Gewinne, die vor allem bei sehr niedrigen Außentemperaturen die Heizlast reduzieren. Interne Wärmegewinne können je nach Nutzungsart die gleiche Größenordnung erreichen.
- Transmissionsverluste werden durch die Norm recht gut beschrieben und sind durch die Materialkennwerte und die anschließende Rechenmethodik gut bestimmbar. Im Gegensatz dazu stecken in der Berechnung der Lüftungswärmeverluste Standardnutzungsprofile, also Annahmen und Vereinfachungen, die teilweise weit von der Realität abweichen. Vor allem bei milderen Temperaturen ist mit einer größeren Differenz zu rechnen.
- Die messtechnisch bestimmte Heizlast liegt bei Neubauten ca. 15% unter der theoretisch ermittelten. Folglich enthält das im Berechnungsverfahren ermittelte Ergebnis zusätzlich zur guten Übereinstimmung mit der Realität eine genügend große Reserve.
Wenn die Berechnung sorgfältig vorgenommen wurde, kann sie als Basis für eine Auslegung dienen, wobei die errechneten Werte als Obergrenze betrachtet und nicht überschritten werden sollten. Eine knappere Dimensionierung wäre auch bei Neubauten noch besser, erfordert aber etwas Überlegung und eine entsprechende Absprache mit dem Auftraggeber. - Leider trifft der zuvor erläuterte Punkt für ältere Bestandsgebäude nicht zu. Hier stimmen die rechnerisch ermittelten Heizlasten in aller Regel überhaupt nicht mit den messtechnisch ermittelten Werten überein. Gründe sind zu viele falsche oder ungenaue Annahmen, zu wenig Wissen über die realen Bauteile des Gebäudes, zu wenig Berücksichtigung von zwischenzeitlich vorgenommenen wärmetechnischen Verbesserungen, zu viel Sicherheitsdenken. Im Ergebnis sind damit sämtliche Versorgungssysteme um wenigstens einen Faktor 2 überdimensioniert. Das zieht sich durch alle (älteren) Gebäudeerrichtungsjahre und leider auch Wärmetechnologien (Beispiele s. Abb. 11). Auch Wärmepumpen sind nach unserer Erfahrung nach oft um den Faktor 2 oder mehr überdimensioniert, mit der Folge, dass die erreichbaren Jahresarbeitszahlen erschreckend niedrig liegen.
Überdimensionierungen entgegenwirken
Mit überdimensionierten Anlagen geht man zwar nicht das winzigste Risiko einer unzureichenden Versorgung ein, liegt also auf der sicheren Seite, aber die Effizienz bleibt auf der Strecke. Wie lässt sich das ändern?
Bei der Diskussion über Ergebnisse einer „Energieanalyse aus dem Verbrauch“ mit Mitarbeitern aus Planungsbüros zeigt sich oft, dass die Zusammenhänge unklar sind und folglich die Ergebnisse nicht verstanden werden. Deshalb werden obige Überlegungen mit diesem Beitrag zur Diskussion gestellt.
Bisher wird offenbar theoretischen Werten oder den Berechnungsergebnissen einer Software mehr Vertrauen geschenkt als Messergebnissen und den zugehörigen Analysen. Hier sollte in der Ausbildung einiges verbessert werden.
Im ersten Schritt hilft es, die Kunden verständlich und umfassend zu informieren. Wenn ihnen verständlich und nachvollziehbar erklärt wird, warum der Heizkessel kleiner dimensioniert werden kann, als es die Norm vorsieht, lassen sich viele Kunden überzeugen. Schließlich verringern sich dadurch außer dem Energieverbrauch auch die Investitionskosten. Geld spielt für die Kunden immer eine Rolle. Und das Vertrauen in die Aussagen von Planern und Energieberatern.
Dieser Artikel von Uwe Dankert ist zuerst erschienen in Gebaeude Energie Berater 11-2019. Uwe Dankert ist Geschäftsführer der udEEE Consulting GmbH.
Lesen Sie hierzu auch Teil 1 des Beitrags "Heizlastberechnung nach DIN EN 12831: Die Lücke zwischen Regelwerk und Realität".
Dieser Artikel ist zuerst in Gebäude-Energieberater erschienen. Mehr Informationen erhalten Sie im kostenlosen Gebäude-Energieberater Newsletter.
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