Schnell und sicher zur Gebäudeheizlast Wie groß muss der neue Wärmeerzeuger sein?

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1 Bild 1: Ideal für die Modernisierung einer veralteten Öl-Heizung eignen sich Hybrid-Heizgeräte wie Vitolacaldens 222-F, es vereint die hohe Effizienz der Öl-Brennwerttechnik mit der Nutzung kostenloser Umweltwärme. Schnell und sicher zur Gebäudeheizlast Wie groß muss der neue Wärmeerzeuger sein? Der Austausch eines alten Wärmeerzeugers ist in der Regel die schnellste und wirtschaftlichste Maßnahme, um die Heizkosten und den Ausstoß des klimaschädlichen Kohlendioxids nachhaltig zu senken. Dazu stehen neben hocheffizienten Brennwertkesseln und Hybrid-Heizgeräten auch Wärmepumpen, Biomassekessel und KWK-Systeme als mögliche Alternative zur Verfügung (Bild 1). Welche Leistung der neue Wärmeerzeuger haben muss, um auch an den kältesten Tagen den gewünschten Wärmekomfort bieten zu können, ohne zugleich überdimensioniert zu sein, kann mit verschiedenen Verfahren ermittelt werden. Heizlastberechnung nach DIN EN Grundlage der heute angewendeten Verfahren (ausführliche und vereinfachte Verfahren) zur Ermittlung der erforderlichen Wärmeleistung ist die Heizlastberechnung nach DIN EN Heizungsanlagen in Gebäuden Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast vom August Mit ihrer Hilfe wird die Wärmezufuhr ermittelt, die benötigt wird, um unter Normbedingungen die erforderlichen Innentemperaturen zu erreichen. Ein zusätzliches Beiblatt 1 vom Juli 2008 zu dieser europäischen Norm auch als Nationaler Anhang bezeichnet enthält dazu spezielle Berechnungsparameter wie z. B. auf Städte bezogene Norm-Außentemperaturen, die die deutschen Verhältnisse berücksichtigen. Der in dieser Norm festgelegte ausführliche Rechenweg liefert zwar die exaktesten Ergebnisse, ist allerdings auch aufwendig. So müssen u. a. von allen wesentlichen Gebäude-Komponenten (Wände, Decken, Fenster usw.) die wärmetechnischen Eigenschaften (U-Werte) bekannt sein bzw. ermittelt werden. Da dies in Bestandsbauten häufig nicht möglich bzw. nicht immer mit vertretbarem Aufwand machbar ist, eignet sich die ausführliche Berechnung vor allem für den Neubau. Zunächst sind anhand des Beiblattes 1 die für das jeweilige Gebäude zutreffende Norm-Außentemperatur und das Jahresmittel der Außenlufttemperaturen zu ermitteln. Im nächsten Schritt müssen die Abmessungen und die wärmetechnischen Eigenschaften aller relevanten Bauteile festgelegt werden. Es folgt die Berechnung der Transmissionswärmeverluste T,i und der Lüftungswärmeverluste V,i der einzelnen Räume. Wichtige Größen sind dabei Wärmeverlustkoeffizienten, die als Kenngrößen der einzelnen Verluste dienen (Bild 2). Vereinfacht dargestellt, ergibt sich dann die Heizlast für ein Gebäude aus den Summen aller Transmissionswärmeverluste T,i und der Lüftungswärmeverluste V,i. Hinzu kommt gegebenenfalls eine zusätzliche Aufheizleistung RH,i für Räume mit unter- 24 IKZ-HAUSTECHNIK 15/16/2015

2 Bild 2: Beispiel für verschiedene Arten der Wärmeverluste und die zugehörigen Wärmeverlustkoeffizienten. brochenem Heizbetrieb. Sie ist erforderlich, um z. B. nach einer Nachtabsenkung die geforderte Innentemperatur innerhalb einer bestimmten Zeit erreichen zu können. Die Heizlast HL für ein Gebäude wird dann wie folgt berechnet: HL = T,i + V,i + RH,i [kw] Ein Wärmeerzeuger, dessen Nenn-Wärmeleistung der Heizlast HL entspricht, kann bei den in der Norm definierten Außentemperaturen die notwendige Wärme bereitstellen, um die festgelegten Innentemperaturen in den Räumen zu erhalten. Bei der Ermittlung der Summe der Lüftungswärmeverluste V,i ist zu berücksichtigen, dass ein einfaches Aufsummieren der jeweiligen Zonenwerte nicht geeignet ist, weil dieser ungünstigste Fall nur in Teilen dieser Zonen gleichzeitig auftritt. Aus diesem Grund wird der Luftvolumenstrom V.i für das gesamte Gebäude wie folgt berechnet:... V i = max (0,5 V inf, i, V min, i ) Der hohe Aufwand für die Berechnung der Heizlast nach DIN EN lässt sich mithilfe professioneller Planungs-Software erheblich reduzieren. Programme wie zum Beispiel Vitodesk 200 SmartPlan unterstützen den Planer dabei umfassend und zeichnen sich zudem durch ihre einfache Bedienbarkeit aus (Bild 3). Neben der Heizlastberechnung bieten sie zudem weitere nützliche Tools wie Berechnung der U-Werte, Dimensionierung von Fußbodenheizungen, Heizkörpern und Wohnraumlüftungen sowie Rohrnetzberechnungen. Das heißt, je nachdem welcher Wert der größere ist, fließt entweder die halbierte Summe aller durch Fugen in der Gebäudehülle entstehenden Luftvolumenströme oder die Summe der hygienisch notwendigen Mindest-Luftvolumenströme in die Berechnung ein. Bild 3: Die umfangreichen Berechnungen der DIN EN lassen sich mit Planungs-Software wie Vitodesk 200 SmartPlan deutlich erleichtern das Programm unterstützt zudem bei der Auslegung von Heizkörpern, Fußbodenheizungen und Rohrnetzen. 15/16/2015 IKZ-HAUSTECHNIK 25

3 zu 0,5 Meter in den Fassaden und Dachgauben dürfen einfach übermessen werden (Bild 4). Bild 4: Beim Hüllflächenverfahren dürfen Dachgauben einfach übermessen und U-Werte aus einer Tabelle des Beiblattes 2 entnommen werden. Vereinfachte Berechnungsverfahren nach Beiblatt 2 Bei einer Heizungsmodernisierung im Gebäudebestand kann wie zuvor bereits erwähnt auf genaue Daten zu Abmessungen und U-Werten von Wänden, Decken und Fenstern oft nicht zurückgegriffen werden, da häufig keine aktuellen Pläne existieren. Je nach Situation und Datenlage können dann vereinfachte Methoden zur Ermittlung der Gebäudeheizlast verwendet werden, die im Beiblatt 2 vom Mai 2012 zur DIN EN definiert sind. Sie sind bei einer Modernisierung deutlich praktikabler anzuwenden als das ausführliche Verfahren. Zudem ersetzen sie das in der Norm vom August 2003 beschriebene, vereinfachte Berechnungsverfahren, das mit Veröffentlichung des Beiblattes 1 (Nationaler Anhang) im Juli 2008 in Deutschland nicht mehr angewendet werden darf. Für die vereinfachte, näherungsweise Ermittlung der Gebäudeheizlast bietet das Beiblatt 2 zwei Verfahren an: das Hüllflächenverfahren und das Verbrauchsverfahren. Dach, Außenwand, Fenster) und Altersklasse aufgelistet sind. Auch die Bestimmung von Temperaturkorrekturfaktoren ƒ x wurde erheblich vereinfacht, sie können aus einer Tabelle im Anhang C entnommen werden. Für Wärmebrücken ist für alle Flächen ein pauschaler Zuschlag von U WB = 0,1 W/(m². K) festgelegt. Die Datenaufnahme für Bauteilflächen wurde ebenfalls wesentlich erleichtert. Zum Beispiel darf die gesamte Fensterfläche pauschal mit 20 % der Wohnfläche angenommen werden, Vor- und Rücksprünge bis Verbrauchsverfahren Das Verbrauchsverfahren basiert auf der Messung des Energieverbrauchs des vorhandenen Wärmeerzeugers über eine bestimmte Zeitspanne. Gleichzeitig mit der Messung des Energieverbrauchs wird die Außentemperatur in dieser Zeitspanne erfasst. Alternativ können aber auch die zum Zeitpunkt der Verbrauchsmessungen vor Ort herrschenden Außentemperaturen den Aufzeichnungen eines Wetterdienstes entnommen werden. Die mittleren Feuerungsleistungen mehrerer Messungen können dann zusammen mit den zugehörigen Außentemperaturen grafisch dargestellt werden (Bild 5). Das Verfahren ist umso genauer, je mehr Messdaten vorliegen. Ein Teil der Datenpunkte wird sich oberhalb einer bestimmten Außentemperatur, der Heizgrenztemperatur e,d (15 C in Bild 5), entlang einer horizontalen Linie (A) häufen. Diese Horizontale markiert den witterungsunabhängigen Anteil der Feuerungsleistung, der z. B. für die Trinkwassererwärmung benötigt wird. Zur Ermittlung der erforderlichen Wärmeleistung wird von der Heizgrenztemperatur e,d ausgehend eine Ausgleichsgerade (B) durch die im Diagramm eingetragene Punktewolke gezogen. Sie repräsentiert die Mittelwerte aus den umliegenden Datenpunkten und wird bis zur Norm-Außentemperatur e verlängert. Der Schnittpunkt (C) der Ausgleichsgeraden Hüllflächenverfahren Vom Grundprinzip her entspricht das Hüllflächenverfahren dem ausführlichen Verfahren, allerdings mit zahlreichen Vereinfachungen. So können beispielsweise U-Werte aus einer Tabelle im Anhang A des Beiblattes entnommen werden, die dort nach Bauteil (z. B. Bild 5: Prinzip der Auswertung von Verbrauchsdaten. 26 IKZ-HAUSTECHNIK 15/16/2015

4 Bild 6: Das neue Öl- Hybrid-Kompaktgerät Vitolacaldens 222-F heizt flexibel mit kostenloser Umweltwärme und Strom oder mit Heizöl je nachdem, welcher Energieträger aktuell am günstigsten genutzt werden kann. mit der Norm-Außentemperatur ergibt eine Feuerungsleistung, die aber noch interne und solare Wärmegewinne beinhaltet. Um diesen Wert von Fremdwärmeeinflüssen zu bereinigen, muss die Ausgleichsgerade (B) parallel verschoben werden, sodass sie durch den Schnittpunkt (D) mit der Norm-Innentemperatur int verläuft (20 C in Bild 5). Im Schnittpunkt (E) der parallel verschobenen Linie (F) mit der Norm- Außentemperatur kann dann die benötigte Feuerungsleistung h,g,in (28 kw in Bild 5) abgelesen werden. Abschließend muss diese Leistung noch mit dem Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers multipliziert werden, um die tatsächliche Nenn-Wärmeleis tung h,g,out zu erhalten. Der Wärmeerzeuger- Wirkungsgrad kann aus Messungen bzw. mithilfe der DIN V ermittelt werden. Beispiel: In einem Einfamilienhaus, Baujahr 1975, mit 185 m² beheizter Wohnfläche wurden an der seit 1995 eingebauten Öl-Heizung die im Bild 5 gezeigten Werte gemessen. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, beträgt die Feuerungsleistung etwa 28 kw. Der Wirkungsgrad des Altkessels beträgt bei 100 % der Nenn-Leistung g = 0,83. Die benötigte Nenn-Wärmeleistung des neuen Wärmeerzeugers ist dann: h,g,out = h,g,in g = 28 kw 0,83 = 23,24 kw Ein infrage kommender Wärmeerzeuger ist in diesem Fall zum Beispiel ein modernes Öl-Hybrid-Kompaktgerät (Bild 6). Dessen Split-Wärmepumpe deckt bis 10 kw die Wärmegrundlast, der integrierte Öl- Brennwertkessel deckt die Spitzenlasten bis 23,5 kw und sorgt für die schnelle Trinkwassererwärmung. Durch die intelligente Kombination von Wärmpumpentechnik zur Nutzung kostenloser Umweltwärme und hocheffizienter Brennwerttechnik stellen Hybrid-Heizgeräte eine besonders zukunftssichere Lösung für die Modernisierung dar. Vereinfachtes Verbrauchsverfahren mittels Jahresendenergieverbrauch Kann nur der Jahresbrennstoffverbrauch (Öl, Gas, Holz, Kohle, Strom) ermittelt werden, so bietet das Beiblatt 2 der DIN EN noch eine rechnerische Variante des zuvor beschriebenen Verbrauchsverfahrens an. Aus dem Jahresbrennstoffverbrauch B g,in errechnet sich der Jahresendenergieverbrauch E g,in durch multiplizieren mit dem unteren Heizwert H i : E g,in = B g,in H i Enthält der Jahresbrennstoffverbrauch auch witterungsunabhängige Anteile wie beispielsweise die Trinkwassererwärmung, so sind diese vom Gesamt-Jahres- 15/16/2015 IKZ-HAUSTECHNIK 27

5 Bild 7: Über mehrere Eingabemasken fragt der Gebäude-Energie-Spar-Check alle relevanten Daten ab. endenergieverbrauch abzuziehen. Der Endenergieverbrauch für die Gebäudebeheizung ist dann: mit: E h,g,in : E g,in : E w,g,in : E h,g,in = E g,in E w,g,in Jahresendenergieverbrauch für die Gebäudebeheizung in kwh/a gemessener bzw. abgerechneter Jahresendenergieverbrauch des Gebäudes in kwh/a Jahresendenergieverbrauch für die Trinkwassererwärmung in kwh/a Der Endenergieverbrauch für die Trinkwassererwärmung kann über eine Abschätzung des Jahresnutzenergiebedarfs für die Warmwasserbereitung und den Nutzungsgrad der Anlage w,a bestimmt werden. Eine Tabelle im Beiblatt gibt dazu Nutzungsgradbandbreiten an, die für die überschlägige Ermittlung zu Hilfe genommen werden können. Ist der Jahresendenergieverbrauch E h,g,in für die Gebäudebeheizung ermittelt, muss Bild 8: Die benötigte Leistung des neuen Kessels kann mit dem Gebäude-Energie- Spar-Check in wenigen Minuten ermittelt werden. zur Berechnung der Feuerungsleistung h,g,in noch die Vollbenutzungsstundenzahl b VF über Gradtage oder einen mittleren Belastungsgrad berechnet werden. Die Feuerungsleistung h,g,in ergibt sich dann aus der Formel: h,g,in = E h,g,in b VF Zuletzt wird die tatsächliche Leistung des vorhandenen Wärmeerzeugers und damit die benötigte Leistung des neuen Wärmeerzeugers durch multiplizieren mit dem Wärmeerzeugernutzungsgrad h,a bestimmt: h,g,out = h,g,in h,a in kw Anhaltswerte für h,a liefert Tabelle 5 des Beiblatts. Einfach, schnell, sicher und kostenlos zur Gebäudeheizlast Wie die vorangegangenen Darstellungen der vereinfachten Verfahren zeigen, sind auch diese noch komplex und führen ohne Unterstützung durch eine computerunterstützte Tabellenkalkulation oder Planungs-Programme nur mit hohem Zeitaufwand zum Ziel. Eine ideale Unterstützung für Fachhandwerker und Planer ist beispielsweise der Gebäude-Energie-Spar-Check von Viessmann. Das Programm wird Marktpartnern kostenlos auf DVD sowie im Internet online zur Verfügung gestellt. Mit ihm lässt sich die Gebäudeheizlast von Ein- und Mehrfamilienhäusern, Nichtwohngebäuden und Industriebauten wahlweise nach dem Hüllflächen- oder dem Verbrauchsverfahren innerhalb weniger Minuten ermitteln. Für die Berechnung des energetischen Zustandes der Gebäudehülle müssen nur wenige Informationen in den Computer oder Tablet-PC eingegeben werden. Hierzu gehören Breite und Länge des Gebäudes, die Anzahl der Etagen, Art der Fenster (ein oder zwei Scheiben, Isolierverglasung etc.), Art und Alter des Altkessels sowie der Jahresbrennstoffverbrauch. Die Angaben für den Baustandard bzw. der wärmetechnischen Eigenschaften der Bauteile werden dann automatisch über das Alter des Gebäudes ermittelt. Alle dazu erforderlichen Tabellen der Norm sind bereits in der Software hinterlegt. Mit diesem geringen Eingabe-Aufwand und auf Grundlage der einschlägigen Normen errechnet der Gebäude-Energie-Spar-Check zuverlässig die Heizlast. Beispiel: In einem Einfamilienhaus in Albstadt (Baden-Württemberg), Baujahr 1975, mit 185 m² beheizter Wohnfläche soll die alte Öl-Heizung, die 1995 eingebaut wurde, gegen einen modernen Pelletkessel ausgetauscht werden wurden neue Fenster mit jeweils zwei Scheiben eingebaut, außerdem erhielt im gleichen Jahr das Dach eine 15 cm starke Dämmung. 28 IKZ-HAUSTECHNIK 15/16/2015

6 Über mehrere Eingabemasken fragt der Gebäude-Energie-Spar-Check diese Informationen ab (Bild 7). Unmittelbar danach kann die Heizlast bzw. die benötigte Nennleistung des neuen Wärmeerzeugers angezeigt werden, sie beträgt in diesem Beispiel 18 kw (Bild 8). Der Gebäude-Energie-Spar-Check bietet an dieser Stelle gleich die Möglichkeit, aus dem umfassenden Komplettangebot verschiedene Wärmeerzeuger auszuwählen und die Varianten miteinander zu vergleichen. Da die Gebäudebeheizung in diesem Fall vom Energieträger Öl auf Holzpellets umgestellt werden soll, bietet sich zum Beispiel ein vollautomatischer Pelletkessel mit 18 kw Nenn-Wärmeleistung als Lösung an (Bild 9). Werkzeug eröffnet neue Möglichkeiten Über die Ermittlung der Heizlast und die Auswahl des neuen Wärmeerzeugers hinaus bietet der Gebäude-Energie-Spar- Check noch weitere nützliche Hilfen. So ermittelt er für eine konkret gewählte Modernisierungsvariante die möglichen Energieeinsparungen sowie die Höhe der damit eingesparten Energiekosten pro Monat und hochgerechnet auf frei wählbare Zeiträume zwischen 5 und 30 Jahren. Außerdem können bis zu vier Varianten miteinander verglichen werden. Beispielsweise die Modernisierung mit einem Gas-Brennwertgerät, mit einer Wärmepumpe, einem Mikro-KWK-Gerät und mit einer Verbesserung der Wärmedämmung der Gebäudehülle. Die integrierte Wirtschaftlichkeitsberechnung ermittelt die Amortisationszeit der Gesamtinvestition. Das eröffnet neue Möglichkeiten bei der Angebotserstellung und dem Kundengespräch vor allem Bild 9: Die passende Lösung für das Modernisierungsbeispiel: Der Pelletkessel Vitoligno 300-C mit 18 kw Nenn-Wärmeleistung. auch, weil die unterschiedlichen Varianten auch während eines Gesprächs sofort erstellt sind und verglichen werden können. Der Gebäude-Energie-Spar-Check wurde vom TÜV Rheinland eingehend geprüft und zertifiziert. Die Bedienung ist selbsterklärend. Der Anwender erhält objektive, jederzeit nachprüfbare Ergebnisse und damit eine verlässliche Planungshilfe für die Modernisierung. Der Gebäude- Energie-Spar-Check ist in die kostenlos angebotene Vitodesk 100 Software integriert, die Viessmann-Marktpartner über ihren Verkaufsberater erhalten. Außerdem steht das Programm auch online zur Verfügung ( Login für Marktpartner). Fazit Mit der Heizlastberechnung nach DIN EN lässt sich die erforderliche Leistung eines neuen Wärmeerzeugers am exaktesten berechnen. Allerdings ist der Rechengang aufwendig, und gerade in Bestandsgebäuden sind häufig nicht alle dafür benötigten Daten verfügbar. Die vereinfachten Berechnungsverfahren, die das Beiblatt 2 der Norm anbietet, führen zwar schneller zum Ziel, sind im Vergleich zu früher üblichen Abschätzungen immer noch sehr komplex und erfordern ebenfalls viele detaillierte Angaben, die zum Teil in Tabellen nachgeschlagen werden müssen. Soll die Leistung des neuen Wärmeerzeugers normgerecht, aber ohne großen Aufwand ermittelt werden, geht es heute nicht mehr ohne Computerunterstützung. Mit Programmen wie dem Gebäude-Energie-Spar-Check, der Marktpartnern kostenlos zur Verfügung gestellt wird, ist die benötigte Leistung innerhalb weniger Minuten ermittelt. Darüber hinaus bietet das Programm weitergehende Unterstützung bei Planung, Angebotserstellung und Kundengesprächen. Bilder: Viessmann Werke, Allendorf Autor: Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Rogatty, Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Allendorf