DIN Berechnung der Norm-Heizlast von Gebäuden (Fachinfo April 2004)

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1 1 DIN Berechnung der Norm-Heizlast von Gebäuden (Fachinfo April 2004) Die Aufgabe einer Heizlastberechnung besteht darin, für die ausreichende Beheizung von beheizten Räumen und Gebäuden sowohl die Heizflächen als auch die Wärmeerzeuger angepasst zu dimensionieren. Bis wurden solche Berechnungen auf Grundlage der DIN 4701 vom März 1983 durchgeführt. Gemäß dieser DIN war der Wärmebedarf von Gebäuden zu ermitteln, der als Begriff jedoch längst besetzt ist. Der Wärmebedarf beschreibt prinzipiell eine Energiemenge in kwh (s.u.), während es bei der Dimensionierung von Heizflächen oder Wärmeerzeugern um die Ermittlung einer Leistung in kw geht. Im Zuge der Angleichung und Vereinheitlichung von nationalen Normen in Europa hat das CEN (Comité Européen de Normalisation) in Brüssel in seinem Technischen Komitee 228 Heizsysteme in Gebäuden eine neue Europäische Norm (EN) erarbeitet: Die EN für die Berechnung der Heizlast von Gebäuden. Sie beschreibt das Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast - für die Auslegung der Heizflächen/Heizkörper und - zur Auslegung des Wärmeerzeugers/Kessels. Dazu wird die Wärmezufuhr ermittelt, die unter Norm-Auslegungsbedingungen benötigt wird, um sicherzustellen, dass die erforderliche Norm-Innentemperatur in den Nutzräumen der Gebäude erreicht wird. Gemäß der CEN-Geschäftsordnung haben die nationalen Normungsinstitute fast aller europäischen Länder diese EN bis September 2003 unverändert übernommen, so auch Deutschland als DIN EN 12831, Ausgabe: Seit 2004 ist die DIN 4701 ungültig. Unterscheidung Wärmebedarf und Heizlast 1 Wärmebedarf Zur Beurteilung und energetischen Einstufung eines Gebäudes hat sich die europäische Fachwelt auf einheitliche Kriterien geeinigt. Das wichtigste Kriterium zur Beurteilung der energetischen Qualität eines Gebäudes ist der Wärmebedarf für die Beheizung. Dieser Heizwärmebedarf wird in kwh/a berechnet und für Vergleichszwecke auf einen Quadratmeter Nettonutz- bzw. Nettowohnfläche bezogen. Das ist der Bedarf, der für die Energiedienstleistung warmer Raum zur Raumbeheizung benötigt wird und auch als Nutz-Energiebedarf bezeichnet wird. Nutz-Energiebedarf (= Heizwärmebedarf) Das ist die Energie, die wir nutzen, z.b. Raumwärme aus dem Heizkörper, Licht aus der Lampe, Warmwasser aus der Dusche, Kälte im Kühlschrank. Nutzenergie ist die Energie nach der letzten technischen Umwandlung! Der Heizwärmebedarf in kwh/(m²a) ist die Energiekennzahl für den Vergleich von Dämm-Standards und auf keinen Fall mit dem Energieverbrauch vergleichbar.

2 2 End-Energiebedarf (= Heizenergiebedarf) Energie, die wir zur Nutzung bestellen und bezahlen und vor Ort zur Verfügung haben wie z.b. Heizöl im Tank, Erdgas am Zähler, Holz im Vorratslager, Benzin im Auto oder Strom am Zähler vor der letzten Umwandlung - also unser messbarer, zu bezahlender Energieverbrauch. 2 Heizlast Zur Berechnung von Heizflächen- und Wärmeerzeugergrößen für die Gebäudebeheizung wurde nun die EN unter dem Titel: Heizungsanlagen in Gebäuden - Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast europaweit einheitlich übernommen. Bei der Heizlast geht es also um einen Begriff aus der Heiztechnik, wobei wie erwähnt in diesem Zusammenhang statt dessen noch oft von der Größe des Gebäude-Wärmebedarfs gesprochen wird, obwohl der Begriff Wärmebedarf hier nicht mehr zulässig ist! Bei der Dimensionierung von Heizflächen und Wärmeerzeugern (Kesseln) geht es um die Berechnung der Heizlast bzw. Leistung in Watt [W]. Die erforderlichen Leistungen richten sich natürlich nach dem jeweiligen Dämmstandard des zu versorgenden Gebäudes. Je besser dieser ist, umso kleiner können Heizflächen und Kessel werden, desto geringer sind die Investitionskosten bei der Neuanschaffung. Auch hier werden als Energiekennzahlen spezifische Werte bezogen auf die Nettonutz- oder Nettowohnfläche gebildet und verglichen. Die folgende Tabelle gibt eine überschlägige Dimensionierungshilfe der benötigten spezifischen Kesselleistung: Gebäude(dämm)typ Kesselleistung in W/m² Altbau EnEV NEH PH 0 Wird z.b. ein Mehrfamilienhaus mit etwa 300 m² beheizter Wohnfläche gemäß EnEV- Standard gebaut, beträgt die Kesselleistung knapp 26 kw (300 m² x 85 W/m² = W = 25,5 kw). Würde das gleiche Gebäude in NEH-Standard gebaut, läge die Kesselleistung bei nur knapp 11 kw (300 m² x 35 W/m² = W = 10,5 kw). Schlussfolgerung: Eine verbesserte Wärmedämmung bringt auch eine Kostenreduzierung bei der zu installierenden Heiztechnik mit sich. Im Rahmen von Energieberatungen sowie Planungen wird empfohlen, die genaue Kesselgröße ebenso wie die Größe der Heizflächen gemäß DIN EN zu ermitteln - und keinesfalls mit dem berühmten Pi-mal-Daumen -Faktor. So z.b. wurden und werden Heizflächen in den Räumen immer noch auf Basis des Daumenfaktors 100 W/m² errechnet.

3 3 DIN EN 12831: Berechnung der Norm-Heizlast Die Norm ersetzt zum die DIN 4701 Teile 1-3 vollständig. Sie beschreibt das Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast für Standardfälle unter Norm-Auslegungsbedingungen - auf Basis einer raum- oder zonenweisen Basis zum Zwecke der Auslegung der Heizflächen - auf Basis der gesamten Heizungsanlage zur Auslegung des Wärmeerzeugers. Als Standardfälle gelten alle Gebäude mit einer Raumhöhe nicht über 5,00 m und solche, bei denen angenommen werden kann, dass sie unter Norm-Bedingungen auf einen stationären Zustand beheizt werden. Darunter fallen z.b. Wohn-, Büro- und Verwaltungsgebäude, Schulen, Bibliotheken, Krankenhäuser, Kurheime, Justizvollzugsanstalten, Hotels, Gaststätten oder Warenhäuser. Es stehen zwei Berechnungsverfahren zur Verfügung: Ein ausführliches und ein vereinfachtes Verfahren. Welches auch angewendet wird, es sind zahlreiche Neuerungen zu beachten: Formelzeichen und Indizes: HT steht z.b. für Transmissionswärmeverlust-Koeffizient und HV für Lüftungswärmeverlust-Koeffizient Begrifflichkeiten und Berechnungsverfahren: Z.B. Infiltration durch die Gebäudehülle, erdreichberührte Bauteile, längenbezogener Wärmedurchgang (Wärmebrücken), punktueller Wärmedurchgang (3D-Wärmebrücken), Wärmefluss zwischen beheizten Zonen, Räume mit unterbrochenem Heizbetrieb oder Aufheizleistung. Voraussetzungen: u.a. U-Wert-Berechnungen für opake (lichtundurchlässige) und transparente Bauteile gemäß neuen Normen: DIN EN ISO 6946 und DIN EN ISO Im 1. Berechnungsschritt wird raumweise vorgegangen. Bezogen auf die meteorologischen Daten des Gebäudestandorts werden für jeden (beheizten) Raum zunächst die Norm-Wärmeverluste berechnet. Dazu werden zwei Anteile ermittelt: Die Norm- Transmissionswärmeverluste und die Norm-Lüftungswärmeverluste. Im 2. Schritt werden die beiden Verluste des beheizten Raums addiert. Dazu kommt ein weiterer Wert für die Aufheizleistung (zusätzliche Leistung für den Ausgleich bei unterbrochener Beheizung). Dies ergibt die Norm-Heizlast des Raums zur Auslegung der Heizfläche. Im 3. Schritt wird zur Auslegung des Wärmeerzeugers die Norm-Heizlast des Gebäudes errechnet. Diese setzt sich aus der Summe der Norm-Heizlasten aller beheizten Räume zusammen. 1. Schritt: Norm-Wärmeverluste Φ i eines beheizten Raums i in Watt [W] An dieser Stelle kann und soll nicht das gesamte Berechnungsverfahren im Detail dargestellt werden. Mit Hilfe der folgenden allgemeinen Formeln und entsprech-

4 4 enden Erläuterungen soll aber ein Überblick gegeben werden, der den selbständigen Einstieg in Theorie und Praxis der EN z.b. mit der Norm selbst oder mit geeigneter Software vorbereiten soll: Φ i = Φ T,i + Φ V,i mit Φ T,i als Norm-Transmissionswärmeverlust für den Raum i [W] mit Φ V,i als Norm-Lüftungswärmeverlust für den Raum i [W] Φ T,i = (H T,ie + H T,iue + H T,ig + H T,ij ) x (θ int,i - θ e ) [W] H T,ie Transmissionswärmeverlust-Koeffizient zwischen dem beheizten Raum i und der äußeren Umgebung e durch die Gebäudehülle [W/K]. Diese direkten Wärmeverluste an die äußere Umgebung ergeben sich aus allen Bauteilen (z.b. Wand, Boden, Decke, Tür, Fenster) und thermischen Wärmebrücken, die den beheizten Raum von der äußeren Umgebung trennen. H T,iue Transmissionswärmeverlust-Koeffizient zwischen dem beheizten Raum i an die äußere Umgebung e durch den unbeheizten Raum u [W/K]. Wenn sich zwischen dem beheizten Raum und der äußeren Umgebung ein unbeheizter Raum befindet, werden dessen Wärmeverluste wie bei H T,ie berechnet und mit einem Temperatur- Reduktionsfaktor multipliziert. H T,ig stationärer Transmissionswärmeverlust-Koeffizient des Erdreichs vom beheizten Raum i an das Erdreich g [W/K]. Die Wärmeverluste der Grundflächen und Kellerwände mit direktem oder indirektem Kontakt zum Erdreich hängen von verschiedenen Parametern wie Fläche und Umfang der Bodenplatte, Tiefe des Kellerbodens unter dem Erdreich und den Dämmeigenschaften des Bodens ab. Die verschiedenen Fälle werden mit Hilfe von Äquivalentwerten aus Tabellen und Korrektur- sowie Reduktionsfaktoren berechnet. H T,ij Transmissionswärmeverlust-Koeffizient eines beheizten Raums i an einen benachbarten beheizten Raum j, welcher durch Beheizung auf einem deutlich unterschiedlichen Temperaturniveau gehalten wird [W/K]. Dies kann ein benachbarter beheizter Raum (z.b. Badezimmer, Lagerraum, medizinischer Untersuchungsraum) innerhalb einer Gebäudeeinheit oder ein beheizter Raum einer angrenzenden Gebäudeeinheit (z.b. Wohnung) oder die Räume eines benachbarten Gebäudes sein, die sogar nicht beheizt sind. Dazu gibt es ebenfalls Korrekturfaktoren für die Berechnung. θ int,i Norm-Innentemperatur des beheizten Raums i [ C] θ e Norm-Außentemperatur [ C]

5 5 Φ V,i = H V,i x (θ int,i - θ e ) [W] H V,i Lüftungswärmeverlust-Koeffizient zwischen dem beheizten Raum i und der äußeren Umgebung e durch die Gebäudehülle [W/K]. Diese Wärmeverluste an die äußere Umgebung ergeben sich aus dem Luftvolumenstrom des beheizten Raums i, der Dichte und der spez. Wärmekapazität der Luft. Das Verfahren zur Berechnung des Luftvolumenstroms hängt vom jeweils betrachteten System ab: Bei natürlicher (Fenster)Belüftung wird der erforderliche Wert bestimmt aus dem Maximum zwischen dem Luftvolumenstrom aufgrund von Infiltration durch Fugen in der Gebäudehülle und dem hygienisch notwendigen minimalen Luftvolumenstrom. Bei Lüftungsanlagen sind Anlagen mit und ohne Wärmerückgewinnung zu unterscheiden und anlagentechnische Werte in die Berechnung einzusetzen. θ int,i Norm-Innentemperatur des beheizten Raums i [ C] θ e Norm-Außentemperatur [ C] 2. Schritt: Norm-Heizlast Φ HL,i eines beheizten Raums i in Watt [W] Die Norm-Heizlast für den beheizten Raum dient nun zur Auslegung der Heizfläche oder auch eines Wärmetauschers oder Wärmeerzeugers für diesen Raum. Zu dem im 1. Schritt ermittelten Norm-Wärmeverlust aus Transmission und Lüftung kommt nun noch eine eventuell benötigte Aufheizleistung hinzu: Φ HL,i = Φ i + Φ RH,i mit Φ i als Norm-Wärmeverlust für den Raum i [W], siehe 1. Schritt mit Φ RH,i als Aufheizleistung für den Raum i [W] Φ RH,i zusätzlich benötigte Leistung zum Ausgleich der Auswirkung durch unterbrochenes Heizen in einem beheizten Raum i. Sie wird bestimmt über die Fußbodenfläche des Raums und einen Korrekturfaktor in Abhängigkeit der Aufheizzeit und der angenommenen Absenkung der Raumtemperatur. Die Berücksichtigung der Aufheizleistung soll gewährleisten, dass die Norm-Innentemperatur nach einer Absenkung in einer bestimmten Zeit wieder erreicht wird. Sie ist abhängig von der Wärmekapazität der Bauteile, der Aufheizzeit, dem Temperaturabfall während einer Absenkphase und den Eigenschaften des Regelungssystems und in bestimmten Fällen auch nicht notwendig.

6 6 3. Schritt: Norm-Heizlast Φ HL eines Gebäudes in Watt [W] Bei der Bestimmung des Norm-Heizlast eines Gebäudes oder einer Gebäudeeinheit wird der Wärmefluss durch Transmission und Lüftung innerhalb der Gebäudeeinheit nicht berücksichtigt: Φ HL = Σ Φ T,i + Σ Φ V,i + Σ Φ RH,i als Norm-Heizlast für das Gebäude [W] Σ Φ T,i Summe der Transmissionswärmeverluste aller beheizter Räume, ohne Berücksichtigung des Wärmeflusses zwischen den Gebäudeeinheiten bzw. innerhalb des Gebäudes. Σ Φ V,i Summe der Lüftungswärmeverluste aller beheizter Räume, ohne Berücksichtigung des Wärmeflusses zwischen den Gebäudeeinheiten bzw. innerhalb des Gebäudes. Σ Φ RH,i Summe der zusätzlich benötigten Aufheizleistungen zum Ausgleich der Auswirkungen durch unterbrochene Beheizung Da nun auch explizit zusätzlich Wärmebrücken (z.b. eine Gebäudeaußenecke) bei der Ermittlung der Transmissionswärmeverluste berechnet werden müssen, werden bei der Ermittlung der Bauteilflächen Innenmaße angesetzt. Der Bezugspunkt für die Innenwände ist für die horizontalen Maße der Abstand der Wandmitten (d.h. bei Innenwänden wird die Hälfte der Wanddicken berücksichtigt). Der Bezugspunkt für die vertikalen Maße ist der Abstand zwischen den Geschossoberflächen, wobei die Dicke des Kellerbodens vernachlässigt wird. Beim vereinfachten Verfahren dagegen sind als Basis der Berechnung Außenmaße anzusetzen.