Eine Studie von Professor Dr. Jarek Kurnitski, Technische Universität Helsinki, untersuchte die Reaktion und den Energieverbrauch der Heizung eines modernen einstöckigen Einfamilienhauses in Deutschland – einmal mit Heizkörpern und einmal mit Flächenheizungen. Dabei wurden sowohl Systemverluste als auch Wärmegewinne (Sonneneinstrahlung, elektrische Geräte, Anwesenheit von Menschen) einbezogen. Letztlich verbrauchte die Heizkörperheizung erheblich weniger Energie als die Flächenheizung.
Die Hauptgründe dafür sieht Kurnitski in den geringen Systemverlusten und in der schnellen Reaktion der Heizkörper auf Wärmegewinne. In einem der von Kurnitski durchgeführten Versuche wurden beide Systeme auf 21 °C Raumtemperatur voreingestellt und Wärme von außen zugeführt. Das Heizkörpersystem reagierte aufgrund seiner geringen thermischen Masse bereits bei einem Wärmegewinn von 0,5 °C und hielt die Temperatur nahezu verlustfrei am Sollwert. Die Flächenheizung hingegen reagierte durch ihre große Speichermasse viel langsamer. Das System gab weiterhin Wärme ab und die Raumtemperatur stieg weit über den eingestellten Wert hinaus. Insgesamt ergab die Studie eine Differenz von rund 15 % im Energieverbrauch der beiden Wärmeübergabesysteme – zugunsten des Heizkörpers.
Feldstudie ermittelt signifikante Unterschiede
Auch eine Feldstudie aus der Praxis kommt zu gleichen Ergebnissen wie die Simulation von Dr. Jarek Kurnitski. Sein schwedischer Kollege Professor Dr. Christer Harrysson, Örebro Universität, untersuchte zwölf Monate lang den Energieverbrauch von sechs Wohnsiedlungen in Kristianstad, Schweden, mit insgesamt 130 Einfamilienhäusern aus den 1980er-Jahren. Der Dämmstandard der untersuchten Häuser ist dabei mit den Vorgaben der EnEV 2009 in Deutschland vergleichbar. Vier der Siedlungen waren mit Heizkörpern und zwei mit Fußbodenheizungen ausgestattet. Energiequellen der Heizsysteme waren hauptsächlich Zentralheizung und elektrisch beheizte Warmwasserspeicher. Zu den einzelnen Siedlungen gehören zwischen 12 und 62 Gebäude. Die Häuser wurden meist einstöckig mit Betonfußboden und darunterliegender Wärmedämmung erbaut. Sie verfügen entweder über ein Entlüftungssystem oder ein Be- und Entlüftungssystem. Bei der Ermittlung des Energie- und Wasserverbrauchs wurden folgende Faktoren berücksichtigt: Jahresverbrauchswerte, Wohnfläche, Wärmerückgewinnung (falls vorhanden), Innentemperaturen, Wasserverbrauch, Verteilungs- und Regelungsverluste, Einbau elektrischer Wärmemengenzähler (individuelle oder kollektive Messung), Abluftverluste, Heizung von Nebengebäuden (wenn vorhanden) und Grundstücksstromverbrauch.
Die Wissenschaftler ermittelten in den Häusern mit Heizkörpern einen durchschnittlichen Gesamtenergieverbrauch von 115 h/m2 und in den fußbodenbeheizten Häusern von durchschnittlich 134 kWh/m2. Der Energieverbrauch war also auch hier in den heizkörperbeheizten Häusern um rund 15 % geringer. In den Häusern, in denen die Fußbodenheizung nach unten schlecht gedämmt war und es höhere Systemverluste gab, betrug die Differenz zum Energieverbrauch der Heizkörperheizung sogar 25 %.
Wahl der Wärmeverteilung und thermische Behaglichkeit
Beide Studien arbeiteten auch die Unterschiede in der thermischen Behaglichkeit heraus, die die verglichenen Systeme den Bewohnern bieten. Die Forscher bescheinigen den Heizkörperheizungen einen höheren Behaglichkeitswert als den Fußbodenheizungen. Für Dr. Jarek Kurnitski ist vor allem die Möglichkeit der dezentralen Regelung der Heizkörper von Vorteil, so kann die Temperatur jedes einzelnen Raumes schnell dem Sollwert angepasst werden, wenn Wärmegewinne oder -verluste auftreten. „Heizkörper sorgen für eine konstante Raumtemperatur und damit auch für eine höhere Behaglichkeit“, so Kurnitski, „während die zentrale Regelung der Fußbodenheizung bei Wärmegewinnen zur Überhitzung einiger Räume und damit zu beträchtlichen Einbußen an Energie und Behaglichkeit führt.“ Wenn dagegen in der Nacht die Temperatur unter den Sollwert sinkt, dauert es manchmal Stunden, bevor die Raumtemperatur wieder ihren Sollwert erreicht, obwohl die Fußbodenheizung eingeschaltet ist.
Die Forscher sind sich einig, dass die Effizienz des Heizkörper-Heizungssystems stark vom individuellen Verhalten der Nutzer abhängt. Zum Beispiel davon, ob die Raumtemperatur durch einen Dreh am Thermostaten heruntergefahren wird, wenn ein Raum über einen längeren Zeitraum nicht benutzt wird. Da sich der Raum bei erneuter Benutzung schnell wieder erwärmt, ist das ein durchaus empfehlenswertes Verfahren, um zusätzlich Energie zu sparen. Bei zentral geregelten Flächenheizungen ist das schwierig und zudem brauchen die trägen Systeme viel länger, um einen Raum wieder zu erwärmen – auch das ein Minus für das Wohlbefinden der Bewohner.
Der Grund für die erheblichen Differenzen
Die Energieeffizienz eines Heizungssystems kann durch zwei Faktoren wesentlich beeinflusst werden: durch Wärmeverluste und Wärmegewinne. Über die Gebäudehülle – Fenster, Wände und das Dach – geht Wärme verloren. Durch Wärmedämmung können diese Übertragungsverluste gering gehalten werden. Mit gesetzlichen Vorgaben, wie die Energieeinsparverordnung in Deutschland, sorgen die europäischen Staaten für einen hohen Grad an Wärmedämmung bei aktuellen Bauvorhaben.
Während jedoch die Wärmeverluste im Fokus stehen, bleiben die Wärmegewinne in den gedämmten Gebäuden und die Reaktionsfähigkeit des Heizsystems auf diese zusätzlichen Wärmequellen oft unberücksichtigt. Dabei haben Sonneneinstrahlung, die Anwesenheit von Menschen und die Nutzung elektrischer Geräte einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die Raumtemperatur. Das wird an einem Beispiel deutlich: Ein Wohnzimmer von 30 m2, das dem Baustandard der EnEV 2009 entspricht, hat bei –14 °C eine Heizlast von 1059 W, bei 0 °C eine Heizlast von 617W und bei +3 °C von 525 W. An einem normalen Fernsehabend, den zwei Personen verbringen, schlagen hier die internen Wärmegewinne mit mindestens 360 W bis 460 W zu Buche. Bei 0 °C bis +3 °C tragen diese Wärmegewinne bereits den größten Teil der Heizlast. Die Grundlagen für die Zahlenwerte zum internen Wärmegewinn sind im Infokasten detailliert dargestellt.
Da moderne Gebäude schneller auf Wärmeeinfluss reagieren, muss auch das Heizsystem rasch auf anfallende Wärmegewinne ansprechen. Andernfalls wird nicht nur wertvolle Heizenergie verschwendet, sondern es kann auch für die Bewohner schnell unangenehm werden. Überhitzte Räume sorgen bekanntermaßen für Müdigkeit und senken die Leistungsfähigkeit.
Heizkörper und niedrige Systemtemperaturen
Moderne Heizkörper können bei einer Sanierung den Energieverbrauch zusätzlich senken. Durch die Wärmedämmung sinkt die Heizlast bei Sanierungen nicht selten um die Hälfte. Wasserbasierende Heizungssysteme können dann mit viel geringeren Systemtemperaturen betrieben werden. Zum Beispiel muss das Heizsystem in einem ungedämmten Gebäude mit einer Heizlast von 100 W/m² Temperaturen von etwa 70 °C (Vorlauf) und 55 °C (Rücklauf) bieten, um eine behagliche Raumtemperatur zu erreichen. Wird durch die energetische Sanierung die Heizlast auf 50 W/m² gesenkt, genügen in gut gedämmten Häusern in der Regel Systemtemperaturen von 45 °C / 35 °C. Werden die alten Heizkörper nun durch moderne Niedrigtemperatur-Heizkörpern ersetzt, wird das gesamte Heizsystem weiter optimiert.
Der Wasserinhalt moderner Niedrigtemperatur-Heizkörper ist deutlich geringer als der Wasserinhalt von Gussradiatoren und auch von älteren Flachheizkörper-Generationen. Weniger Wasser bedeutet, dass der Heizkörper schneller auf Temperaturänderungen reagiert und damit rasch auf- und abheizen kann. Die Heizkörper wurden in den vergangenen Jahrzehnten ständig optimiert. Durch die Vergrößerung der Heizfläche und andere konstruktive Veränderungen, wie die Verlegung der Konvektionsbleche auf die heißen Wasserkanäle, gelang es, die Heizleistung so zu steigern, dass die modernen Heizkörper auch mit niedrigen Systemtemperaturen funktionieren und zugleich zur Energieeffizienz des Systems beitragen.
Wie die vergleichenden Studien zeigen, verbrauchen Heizkörper in gut gedämmten Gebäuden weniger Energie als Fußbodenheizungen. Externe und interne Wärmegewinne haben einen erheblichen Einfluss auf die Raumtemperatur. Aufgrund ihrer hohen Speichermasse reagieren Flächenheizungen verhältnismäßig langsam. Die zentrale Regelung dieser Systeme kann zur Überhitzung von Räumen und damit zu unnötigem Energieverbrauch und Behaglichkeitseinbußen führen. Heizkörper hingegen lassen sich individuell regeln und reagieren aufgrund ihrer geringen Speichermasse rasch. Damit lassen sich Wärmegewinne optimal nutzen.
INFO
Interne Wärmegewinne
Die folgenden Beispiele zeigen ein paar Zahlenwerte für interne Wärmegewinne auf:
Person, ruhig liegend: 83 W
Person, ruhig sitzend: 102 W
Glühbirne mit 60 W: 57 W/Stück
PC mit TFT-Monitor: 150 W oder 15 W im Stand-by-Betrieb
Fernseher (Plasmabildschirm): 130 W oder 12 W im Stand-by-Betrieb
Für das Beispiel im Text ergeben sich mit zwei liegenden Personen, einer Glühbirne und dem Fernsehgerät etwa 350 W. Zwei sitzende Personen, Fernseher und zwei Glühbirnen schlagen schon mit 450 W zu Buche.
INFO
40 Jahre Weiterentwicklung
Seit den 1970er-Jahren haben die Hersteller von Flachheizkörpern ihre Produkte ständig weiterentwickelt: Der Wasserinhalt wurde während der Jahre kleiner, die Heizfläche größer und die Anbringung der Konvektionsbleche wurde optimiert. Das bedeutet: weniger Wasser, geringerer Energieinhalt, größere Spreizung, höhere Leistung und kürzere Reaktionszeiten auf veränderte Heizlasten. Das Bild zeigt verschiedene Entwicklungsstufen.
A: Große Heizkanäle mit großem Wasserinhalt.
B: Konvektorbleche zwischen den Wasserkanälen steigern die Leistung.
C: Steigerung der Heizleistung durch Reduzierung des Wasserinhalts bei gleichzeitiger Vergrößerung der Heizfläche.
D: Die Verlegung der Konvektorbleche auf die Wasserkanäle optimiert den Wärmeübergang und sorgt für maximale Heizleistung.
Autor
Heiko Hanke ist Produktmanager Purmo-Heizkörper bei Rettig Germany, 38690 Vienenburg, Telefon (0 53 24) 8 08-0, heiko.hanke@purmo.de, http://www.purmo.de
