Unterversorgung droht

Bereits bei einer gleichmäßigen Raumnutzung muss die Heizkurve angepasst werden, um die geplante Innentemperatur in allen Räumen während der Heizperiode zu gewährleisten. Bei eingeschränkter Heizung ist das Ganze noch viel komplizierter. Der Grad der Unterversorgung variiert für jeden Raum mit dem Verlauf der Außentemperatur. Die Unterversorgung kann nur mit einer Erhöhung der Vorlauftemperatur beseitigt werden, eine Erhöhung des Volumenstroms ermöglicht die erforderliche Steigerung der Heizleistung in der Regel nicht.

Die Auswahl von Heizflächen für ein Gebäude erfolgt– im optimalen Fall – anhand einer Heizlastberechnung. Das Normverfahren geht dabei von einer „bestimmungsgemäßen“ Beheizung und Belüftung der Räume aus. Der tatsächliche Betrieb sieht jedoch anders aus. Weil die Bewohner Energie sparen möchten (oder die Räume anders als vorgesehen nutzen), werden die Heizkörperthermostate herunter- oder abgedreht und somit einzelne Räume nicht aktiv beheizt. So entstehen zusätzliche Heizlasten bei den restlichen Heizkörpern, denn diese beheizen dann anteilig auch die Nachbarräume mit. Wärmegewinne, beispielsweise durch solare Einträge, überlagern diese Wärmeverschiebungsprozesse.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit [1] wurde an der Hochschule Magdeburg/Stendal an ­einem Beispielgebäude untersucht, wie sich die räumliche Teilbeheizung auf die Unterversorgung einzelner Räume, die Volumenströme und die Temperaturen im Netz sowie die Effi­zienz von Wärmeerzeugern auswirkt. Außerdem wurde ermittelt, wie das theoretische Einsparpotenzial vom Anteil der räumlichen Teil­beheizung und vom Dämmstandard der ­Außenflächen abhängt.

Beispielhaus und typische ­Lastfälle

Für die Untersuchung wurde ein beispielhaftes Wohngebäude gewählt. Es ist ein Nied­rig­energiehaus nach EnEV 2009 (Bild 1) mit insgesamt 204 m² beheizter Wohnfläche sowie einem unbeheizten Keller. Es kann von vier bis fünf Personen bewohnt werden. Weitere wesentliche Daten und Annahmen sind im Info-Kasten aufgeführt. Auf dieser Basis wurden vier Varianten mit unterschiedlichen ­Außentemperaturen und Fremdwärmeleistungen sowie verschiedenem Nutzerverhalten entwickelt:

• typischer Winterfall, homogene Beheizung und Belüftung
• typischer Winterfall, individuelle Beheizung und Belüftung sowie räumliche Teilbeheizung
• typischer Fall in der Übergangsjahreszeit, homogene Beheizung und Belüftung
• typischer Fall in der Übergangsjahreszeit, ­individuelle Beheizung und Belüftung sowie räumliche Teilbeheizung

Für das Teillastverhalten wurde bei der Unter­suchung berücksichtigt:

• Wird an einem Heizkörper weniger Leistung angefordert, sinken die mittlere Heizkörperübertemperatur, die Rücklauftemperatur und der Volumenstrom.
• Wird mehr Leistung am Heizkörper angefordert, steigen alle zuvor genannten Größen.
• Bei der Auslegung mit 50/30 °C fließen etwa 17 % des Normvolumenstroms, der nach EN 442 bei der Heizkörperprüfung ermittelt wurde.
• Wird der Auslegungsvolumenstrom auf den Normvolumenstrom (also von 17 auf 100 %) ­gesteigert, erhöht sich die Leistung um den Faktor 2.

­Vergleich Voll- und Teilbeheizung

Werden die Räume homogen beheizt, sind die Temperaturen und Luftwechsel der Räume im Winter identisch mit dem Auslegungsfall nach DIN EN 12831. In der Übergangszeit wird von einem einheitlich höheren Luftwechsel ausgegangen, der bewusst nicht ­variiert wird. Die Wärmegewinne (Bild 2)­ decken – bezogen auf das ganze Gebäude – im Winter etwa 10 %, in der Übergangszeit mehr als 40 % der Verluste. In den Räumen auf der Südseite und in der Küche fallen die meisten Wärmegewinne an.

Werden die Räume jedoch ungleichmäßig beheizt und belüftet, werden effektiv nur noch 44 % der Fläche aktiv versorgt. Das heißt, dass nur in sechs von elf Räumen die Heizkörper aufgedreht sind. Für das Beispielgebäude bedeutet diese räumliche Teilbeheizung im Winter eine um 12 % und in der Übergangszeit um 6 % geringere Heizlast als bei gleichmäßiger Temperierung aller Räume nach Norm. In dieser Größenordnung liegen demnach auch die energetischen Einsparpotenziale. Das ergibt sich im Vergleich der Ergebnisse (Nettoheizlast) aus Bild 2 und 3.

Vergleicht man die sechs aktiv versorgten Räume, zeigt sich, dass die Nettoheizlasten beim Teilbeheizungsfall im Mittel 42 % höher als bei gleichmäßiger Beheizung sind – mit starker Streuung. Während im Aus­legungsfall (Bild 4) die Wärmeströme zwischen den Räumen gering sind, weil das ­Gebäude nahezu isotherm (gleichmäßig temperiert) angenommen wurde, treten bei der Teilbeheizung (Bild 5) deutlich mehr Wärmeströme innerhalb des Gebäudes auf.

Übergangszeit: Unterversorgungsrisiko

Was mit der tatsächlichen Heizlast Q._HL,netto in der Übergangsjahreszeit geschieht, wird am Beispiel des Wohnzimmers deutlich:

• Die Außentemperatur liegt deutlich über dem Auslegungsfall. Die Transmissionsverluste nach außen und die Lüftungsverluste sinken, was eine richtig eingestellte Heizkurve über eine Absenkung der Vorlauftemperatur ausgleichen kann.
• Im Vergleich zur Auslegung sind jedoch auch die Innentemperatur und der Luftwechsel höher. Dies kann nur durch erhöhte Wärmezufuhr über Heizkörper oder innere oder solare Fremdwärme ausgeglichen werden.
• Die internen sowie die solaren Wärmegewinne mindern die Heizlast. Die verbleibende Differenz müssen die Thermostatventile ausgleichen.
• Zu den geringer temperierten Nachbarräumen fließen jetzt interne Transmis­sionswärmeverluste ab, die in der Aus­legung nicht auftraten.

Im Resultat kann das Heizsystem bei einer Teilbeheizung zwar einiges ausgleichen, doch die zusätzlichen Verluste an die unbeheizten Nachbarräume oder durch erhöhte Nutzungsanforderungen können nicht kompensiert werden.

Höhere Vorlauftemperatur ­erforderlich

Die Leistung eines Heizkörpers lässt sich nur ­bedingt durch höhere Massenströme steigern, im Beispiel auf etwa das Doppelte. Für eine ­Vertiefung wird auf die Erläuterungen zum Heizkörperdiagramm in [6] verwiesen. Werden die Räume gleichmäßig beheizt, ist der Bedarf fast immer gedeckt (Bild 6). Der „typische Winterfall“ ist nahezu problemlos, lediglich die Volumenströme im Flur, WC und Bad sind deutlich höher als bei der Auslegung. Allerdings lassen sich diese nicht realisieren, wenn das System fachgerecht hydraulisch abgeglichen ist. Wird die Vorlauftemperatur jedoch ganzjährig um 5 K erhöht, ist das winterliche Problem gelöst – bis auf den etwas unterversorgten beheizten Kellerflur.

Betrachtet man die Übergangszeit bei gleichmäßiger Beheizung, so wirkt sich der erhöhte Luftwechsel negativ aus. Er kann bei Bädern und WCs auf der Nordseite auch nicht durch solare Gewinne abgefedert werden. Mit einer um 5 K höheren Vorlauftemperatur könnten die Heizflächen theoretisch die Leistung bereitstellen – allerdings mit unrealistisch hohen Volumenströmen. Erst eine Erhöhung der Vorlauftemperatur um 10 K löst das Problem (außer für den Kellerflur).

Eine Ungleichbeheizung der Räume hingegen verschiebt die Heizlasten massiv (Bild 7). Im Winter werden bei drei der verbleibenden sechs beheizten Räume die Lasten gar nicht gedeckt, in einem Weiteren nur mit einem sehr hohen Volumenstrom, der bei einer hydraulisch abgeglichenen Anlage nicht realisierbar wäre. Erst mit einer gegenüber der Planung 10 K höheren Vorlauftemperatur kann eine wunschgemäße Temperierung mit realistischen Volumenströmen erreicht werden. In der Übergangszeit ergibt sich ein ähnliches Bild, jedoch sind die kritischen Räume jetzt in einer anderen Rangfolge betroffen.

Ergebnisse im Überblick

Wichtigstes Ergebnis der Untersuchung ist, dass die Vorlauftemperatur in der Übergangszeit um 10 K und im Winter um 5 K erhöht werden muss, um die geplante Innentemperatur in den Räumen zu erreichen. Ist die Vorlauftemperatur zu gering, erhöhen die Thermostatventile den Durchfluss und steigern damit die Lastdeckung. Erhöhte Rücklauftemperaturen und eine kleinere Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf sind die Folge. Der Grenzfall ist, dass trotz sehr geringer Spreizung und sehr großen Volumenströmen der Leistungsbedarf des Gebäudes nicht gedeckt wird. Dieser Zustand wird unter realen Bedingungen von den Bewohnern nur toleriert, wenn die Unterversorgung moderat ist, also beispielsweise 21 °C statt gewünschter 22 °C erreicht werden. Ist das System hydraulisch abgeglichen, können Volumenströme jedoch nicht beliebig gesteigert werden. Die Annahme liegt bei einer maximalen Steigerung von 20 bis 50 %.

Die Erhöhung der Vorlauftemperatur kann somit das Problem einer nicht ausreichenden Beheizung bei den typischen Lastfällen kompensieren. Gleichzeitig sinken die Volumenströme und die Rücklauftemperaturen. Die Ventile an Heizkörpern, die auch vorher keine Unterversorgung zu verzeichnen hatten, drosseln dann stark.

Auswirkung auf die Wärme­erzeuger

Wird bei einer Teilbeheizung die Vorlauftemperatur erhöht, hat das unterschiedliche Wirkungen auf den jeweiligen Wärmeerzeuger:

• Brennwertheizkessel ohne Anforderungen an Mindestdurchlauf: Die erhöhte Vorlauftemperatur und der sinkende Volumen­strom sind unkritisch, da die Rücklauf­temperatur sinkt. Die Effizienz bleibt gleich oder verbessert sich sogar leicht.
• Brennwertheizkessel mit Anforderungen an Mindestdurchlauf: Die erhöhte Vorlauftemperatur und die gleichzeitig sinkenden Volumenströme sind kritisch. Wenn insgesamt ein Mindestvolumenstrom im Gerät benötigt wird, aber durch die Anlage weniger Wasser fließt, wird mehr Wasser direkt vom Vorlauf in den Rücklauf strömen. Der Brennwert­effekt vermindert sich. Abhängig vom Ausgangstemperaturniveau kann es zu stärkeren Effizienzverlusten kommen. Je besser der Baustandard beziehungsweise geringer die Auslegungstemperaturen ­insgesamt sind, desto unkritischer ist das Überströmen.
• Wärmepumpe: Die erhöhten Vorlauftemperaturen sind in jedem Fall kritisch. Es kommt zu Effizienzverlusten. Wird die Vorlauftemperatur um 5 bis 10 K angehoben, ist mit ­einer Verschlechterung der Jahresarbeitszahl von 0,3 bis 0,7 zu rechnen.

Fazit für die tägliche Praxis

Je kleiner die U-Werte der äußeren Gebäudehülle im Verhältnis zu denen der Innenbauteile, wie bei Niedrig- und Passivhäusern, sind, desto höher werden die Wärmeströme der Räume untereinander. Der Einspareffekt der räumlichen Teilbeheizung nimmt mit besser werdendem Dämmstandard der Gebäudehülle ab. Wird dem durch eine höhere Vorlauftemperatur entgegengewirkt, verschlechtert dies die Regelbarkeit der anderen Räume und wirkt sich gegebenenfalls negativ auf die Effizienz des Wärmeerzeugers aus.

Deshalb sollte die Teilbeheizung nur dort gewählt werden, wo es wirklich kühler sein soll, beispielsweise im Schlafzimmer. Sobald im realen Betrieb erkennbar wird, dass die angrenzenden Nachbarräume nicht mehr ausreichend warm werden, ist (aus energetischer Sicht) je nach Wärmeerzeuger abzuwägen, ob tatsächlich die Vorlauftemperatur erhöht wird oder weniger Räume teilbeheizt werden.

Die Auswirkungen der Teilbeheizung ­machen sich besonders in Räumen bemerkbar, die bereits bei der Auslegung nennenswerte Anteile von Transmissionswärmeströmen über Innenflächen an beheizte oder ­unbeheizte Nachbarräume aufweisen und im realen Betrieb wenig Fremdwärme erhalten. Hier ist die Regelung nach einer rein ­witterungsgeführten Heizkurve problematisch, da die für die Räume maßgeblichen Wärmeströme nur wenig von der Witterung abhängen.

Kritisch ist das vor allem in Bädern sowie Wohnräumen auf der Nordseite und in Räumen mit hohen Flächenanteilen zu unbeheizten Räumen.

Der Betrieb mit einer Heizkurve statt einer Heizgeraden ist zu bevorzugen, da in den Übergangszeiten (5 bis 15 °C Außentemperatur) die Vorlauftemperatur erhöht wird. Bei der Auslegung von Badheizflächen (auf der Nordseite beziehungsweise grenzend an Treppenhäuser, Keller, später potenziell unbeheizte Schlafräume usw.) müssen gegebenenfalls Zuschläge berücksichtigt werden.

Die Thematik lässt sich grundsätzlich auch auf den Geschosswohnungsbau übertragen. Hier sind nicht nur Wärmeströme zwischen den Räumen eines Nutzers, sondern vielmehr zwischen den einzelnen Wohneinheiten relevant.

Wichtig für Planer, Heizungsbauer und Bauherren

TGA-Planer: Die Untersuchung zeigt, dass eine normgerechte Heizkörperauslegung nicht alle anzunehmenden Lastfälle abdeckt und spricht für den Informationsaustausch zwischen Heizkörper- und Vorlauftemperaturregelung, um der Energieverschwendung durch eine „vorbeugende“ Vorlauftemperaturanhebung entgegenzuwirken.

Heizungsbauer: Die Unterversorgung einzelner Räume bei der Teilbeheizung oder bei Winter- und Übergangstemperaturen kann in der Regel nicht durch eine Anhebung des Volumenstroms, sondern nur durch eine Anhebung der Vorlauftemperatur beseitigt werden.

Bauherren: Die Teilbeheizung spart nicht automatisch Energie. Wird zur Kompen­sation einer Unterversorgung die Vorlauftemperatur angehoben, kann dies zu er­höhten Verlusten und Effizienzeinbußen beim Wärmeerzeuger führen. Werden bei der Teilbeheizung die geplanten Solltemperaturen in den ­aktiv beheizten Räumen erreicht, kann dies auf ein nicht optimal eingestelltes Heizsystem hindeuten.

Randbedingungen für das Beispielgebäude

Für das Gebäude wurde eine Heizlast nach DIN EN 12831 Beiblatt 1 [4] raumweise gerechnet. Als Innentemperatur wurde 20 °C festgelegt, für Bad und WC eine Temperatur von jeweils 24 °C. Abweichend zur Norm wurde auch der offene Flur mit 20 °C gerechnet, da er im Bereich des Dachgeschosses einen Wohnraum bildet. Der Mindestluftwechsel aller Räume liegt bei 0,5 h^–1. Die Auslegungsaußentemperatur für den Standort Magdeburg liegt bei –14 °C. Die Gebäudeheizlast beträgt 6,9 kW (34 W/m², Raumwerte zwischen 25 und 73 W/m²). Anhand des Grundmodells wurden Heizkörper mit Auslegungstemperaturen 50/30 °C ausgewählt. Diese Temperaturpaarung ist nicht alltäglich, wurde jedoch festgelegt, weil sie praktikabel für den Einsatz von Plattenheizkörpern ist und sowohl mit ­einer Wärmepumpe als auch einem Brennwertheizkessel zu realisieren ist.

Die Außentemperaturen des typischen Winter- und Übergangsfalls ergeben sich für die Wetterstation Magdeburg im langjährigen Mittel (Januar: 0,8 °C und April: 9,1 °C) [5]. Die veränderten Temperaturen und Luftwechselraten in den untersuchten Lastfällen basieren auf Annahmen, wie sie in einem Wohngebäude dieser Art typisch vorkommen können. Es wird davon ausgegangen, dass im Gästezimmer, allen Fluren und dem Schlafzimmer die Heizkörperthermostatventile zugedreht sind. Aus den Wärmezu- und -abflüssen resultiert anhand einer Gleichgewichts­bilanz die Raumtemperatur. Für alle anderen Räume wurde ein Sollwert festgelegt. Die Werte sind in Bild 2 (homogenes Nutzerverhalten) und Bild 3 (Nutzerverhalten mit Teilbeheizung) ­wiedergegeben.

Die internen Wärmegewinne ergeben sich aus einer Annahme zur räumlichen Verteilung der Personenabwärme und der Nutzung elektrischer Geräte sowie der Abwärme von Trinkwarmwasserleitungen. Im Mittel ergeben sich 3,2 W/m² Wohn­fläche als interne Wärmeleistung [3]. Die solaren Wärmegewinne resultieren aus Fensterflächen nach Himmelsrichtungen und Strahlungsintensitäten für Januar und April für einen mittleren Standort in Deutschland [2]. Der g-Wert der Fenster ist mit 0,5 berücksichtigt.

[1] Schmidt, Kathrin: Auswirkungen des Heizverhaltens auf die Effizienz von Wärmeerzeugern. Magdeburg: Bachelorarbeit an der Hochschule Magdeburg/Stendal, unveröffentlicht, 2013

[2] DIN V 18599 Energetische Bewertung von Gebäuden; Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung; Teil 10. Berlin: Beuth Verlag, 2007

[3] Loga, Tobias; Imkeller-Benjes, Ulrich: Energiepass Heizung/Warmwasser. Darmstadt: Institut Wohnen und Umwelt, 1997

[4] DIN EN 12831 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast; Beiblatt 1 und Änderungsblatt A1 zur Norm. Berlin: Beuth Verlag, 2003 und 2005

[5] Deutscher Wetterdienst: Wetterdaten Magdeburg, [ http://www.dwd.de, Abruf am 11. Januar 2013]

[6] Recknagel, Sprenger, Schramek; Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2012

Dr.-Ing. Kati Jagnow Professur für Energie­bilanzierung und Anlagenoptimierung an der Hochschule Magdeburg/Stendal im Fach­bereich Bauwesen, http://www.hs-magdeburg.de

Dipl.-Ing. (FH) Marco Wolf, M. Eng. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule ­Magdeburg/Stendal im Fachbereich Bauwesen

Kathrin Schmidt, B. Eng. ist Masterstudentin „Energieeffizientes Bauen“ an der Hochschule Magdeburg/ Stendal im Fachbereich Bauwesen