Flächenheizung im Niedrigenergiehaus?

Transkript

1 Uponor Arlberg Kongress 2011 Flächenheizung im Niedrigenergiehaus? Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff Ostfalia - Hochschule Braunschweig/Wolfenbüttel 1

2 Regelbarkeit der Wärmeübergabe: Sind beibehaltene Heizkörper oder Fußbodenheizungen bei geringen Heizlasten überhaupt noch vernünftig stetig regelbar? C C C 70 (30) W/m² * C 70 (30) W/m² * Altbau NEH PH 1K 60 (40) C* 0 (3) W/m² * 25 (10) W/m² * C 25 (10) W/m² * 38 (29) C* 10 (4) 29 (24) C* W/m² * 1K C Altbau NEH PH 0 (3) W/m² * 0 (3) W/m² * 0 (3) W/m² * 10 (4) W/m² * 1K 0 (3) W/m² * 0 (3) W/m² * Fremdwärme * Volllast (Teillast) Transmission + Lüftung 2

3 Problematik Fußbodenheizungen in EnEV-2009-Gebäuden Heizlast typisch: W/m² - Anteil innerer und solarer Quellen hoch Trägheit führt zu Verschwendung: kwh/(m² a) ( Un )Regelbarkeit führt zu Verschwendung: kwh/(m² a) Anteilige Verluste nach unten nehmen mit sinkenden Heizwassertemperaturen zu! Ungeregelte Wärmeabgabe an beheizte / unbeheizte Räume oder ans Erdreich 3

4 Phase 1: Neubau o. Instandsetzung - Fehlentwicklungen Hinweise zum PARETO-Prinzip (20% versus 80%): Wir haben vergessen, aufmerksam zu sein, weil zu viele Informationen auf uns einfallen! (Beispiel Neuerkerode) Wir sollten nicht meinen, dass jede Informationsquelle die einzig richtige Wahrheit liefert Hinterfragen! (EnEV 2009) Wir sollten mehr denken: Hypothesen aufstellen und überprüfen als Faktenwissen unreflektiert zusammenreihen! Wir sollten mehr eigene Lösungen erarbeiten! Kommen Sie aus sich heraus! (Januar 2011 TKK Salzhausen) MIKA 4

5 Kennzahlen zum Merken Heizenergie für Raumheizung und Trinkwarmwasser Bestand: (250) kwh/(m²a) Neubau: kwh/(m²a) Ziel: kwh/(m²a) Trinkwarmwasser: ca kwh/(m²a) (Nutzen + Verluste) 1 kwh Nutzenergie: 0,10 0,15 /kwh 1 W el Dauerleistung: 1,00 1,50 /a 1 Liter Heizöl 1 m³ Erdgas: 10 kwh bzw. 0,5 0,7 5

6 Erfolg zurückliegender Modernisierungsmaßnahmen in Schleswig Holstein (seit 1990) Erfasst werden ca. 10% der deutschen Wohnflächen Quelle: J. Hengstenberg co2 online Unsanierter Altbau Kesseltausch Niedertemperaturkessel Brennwertkessel Hydraulischer Abgleich Dämmung der Fassade des Dachs der obersten Geschossdecke der Kellerdecke Erneuerung der Fenster Einbau Solarthermieanlage Verbrauch/Einsparung pro m² a 166 kwh -5 kwh -18 kwh -10 kwh -19 kwh -9 kwh -9 kwh -8 kwh -1 kwh -19 kwh Vermeidungskosten pro Tonne CO 2 ca

7 Serielle Planung in der Vergangenheit Quelle: Energie und Bau 7

8 Integrierte Planung als Ziel Quelle: Energie und Bau 8

9 9

10 Quelle: Energie und Bau 10

11 Konvektion und Strahlung (Heizkörperexponent) hoch Konvektionsanteil steigt gering Warmluftheizung Konvektoren (1,4) Radiatoren (1,3) Plattenheizkörper (1,2 1,3) Wand-Fußbodenheizung (1,1) Deckenstrahlungsheizung Betonkernaktivierung gering Strahlungsanteil steigt hoch 11

12 Heizkörper und Komfortlüftung Faktor-10-Häuser (proklima) Komfortlüftung unter Beibehaltung der alten Heizkörper sinnvoll? Nein! Bezogene Energiekennwerte des Jahresenergieverbrauchs der 12 Wohnungen eines auf Passivhausniveau sanierten MFH spez. Jahresenergieverbrauch 110,0 65,2 50,1 100,0 18,1 7,8 1,6 46,5 95,4 99,7 90,0 17,5 17,3 78,1 Energieverbrauch, in [kwh/m²a] 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 99,7 95,4 Mittelwert 43kWh/m²a 17,3 20,3 17,5 18,1 20,3 46,5 50,1 65,2 78,1 10,0 0,0 1,6 7,8 II.OG Mitte rechts II.OG Mitte links I.OG Mitte I.OG links II.OG links EG rechts II.OG rechts DG rechts DG links I.OG rechts EG Mitte EG links 12

13 Die Frage ist: ab welchem Standard ist diese Maßnahme notwendig? 13

14 Grenzen der Regelbarkeit der Wärmeübergabe AUFGABE Sind beibehaltene träge Heizkörper oder Fußbodenheizungen bei den geringen Heizlasten überhaupt noch vernünftig stetig regelbar? Nein! Unter 30 W/m² keine konventionelle FBH [Potenzial: 15 kwh/(m²a)] Von W/m² einfache Plattenheizkörper Unter 10 W/m² nur Luftheizung aus Komfortlüftung mit WRG? C C C 70 (30) W/m² * C 70 (30) W/m² * Altbau NEH PH 1K 60 (40) C* 0 (3) W/m² * 25 (10) W/m² * C 25 (10) W/m² * 38 (29) C* 10 (4) 29 (24) C* W/m² * 1K C Altbau NEH PH 0 (3) W/m² * 0 (3) W/m² * 0 (3) W/m² * 10 (4) W/m² * 1K 0 (3) W/m² * 0 (3) W/m² * Fremdwärme * Volllast (Teillast) Transmission + Lüftung 14

15 Aufgabe: Gedankenmodell Fußbodenheizung Zum Verständnis werde folgendes Modell durchgespielt: in einem Niedrigenergiegebäude mit konventioneller, d.h. träger Fußbodenheizung und raumhohen Fenstern in Südost-Richtung tritt ein so hoher Fremdwärmegewinn durch Sonneneinstrahlung und innere Wärmequellen auf, dass in 50% der Heizperiode, d.h. an ca. 120 Tagen, der 6 cm dicke Heizestrich morgens im Mittel um ca. 3 K über der Rauminnentemperatur aufgeheizt wurde, obwohl keine Wärmezufuhr erforderlich war. Bestimmen Sie das Verschwendungspotenzial dieses Heizflächensystems in kwh/(m² a). Stoffwerte für den Heizestrich: Dichte: 2000 kg/m³, Spezifische Wärmekapazität: 1,2 kj/(kg K). 15

16 Verschwendungspotenzial von naß verlegten Fußbodenheizungen In einem Einfamilienhaus mit konventioneller Fußbodenheizung und mit zentraler Vorlauftemperaturregelung ohne Einzelraumregelung ist die Vorlauftemperatur- Heizkurve bei der Inbetriebnahme zu hoch eingestellt worden. In der gesamten Heizperiode von 250 d/a und durchgehendem Betrieb (24 h/d) stellt sich gegenüber der korrekten mittleren Fußbodenoberflächentemperatur von 23 C bei 21 C Raumtemperatur eine im Mittel 1,7 K höhere Oberflächentemperatur bei 22,5 C Raumtemperatur (Selbstregeleffekt) ein. Für die Wärmestromdichte in W/m² von Fußbodenheizungen in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Fußbodenoberflächentemperatur und Raumtemperatur gilt allgemein: Wärmestromdichte = 8,92 mal (Fußbodenoberflächentemperatur Raumtemperatur)^1,1 Bestimmen Sie das jährliche Verschwendungspotenzial durch die Falscheinstellung in kwh/(m² a) und absolut in kwh/a für eine beheizte Fläche von 150 m². Wie hoch war die mittlere Außentemperatur in der Heizzeit (HT und HV konstant angenommen)? 16

17 BRENNSTOFFVERBRAUCH KLIMA GEBÄUDE WÄRMEERZEUGER HEIZUNG WARMWASSER WÄRMESCHUTZVERORDNUNG HEIZUNGSANLAGENVERORDNUNG ENERGIEEINSPARVERORDNUNG WOHNUNGSLÜFTUNG HYDRAULIK NUTZER REGELUNG HEIZFLÄCHEN VERBRAUCHSERFASSUNG ROHRNETZ ELEKTROVERBRAUCH PUMPE 17

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23 Welcher Regler realisiert eine Genauigkeit der Vorlauftemperatur < 0,1 K? Auslegungsdiagramm für Flächenheizung Q & m & / & / m& Q N N Heizkörperexponent n: 1,1 Normauslegung: 35 / 28 / 20 C Q & / & Q N 1,1 1,2 3,0 2,0 1,5 Rücklauftemperatur tr, in [ C] m & / 0,1 & m N 0,2 0,5 0,4 0,3 Passivhaus 0,6 0,7 0,8 1,0 0,9 EnEV-Haus N 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0, , Vorlauftemperatur t V, in [ C] 23

24 Auszug: Altbaumodernisierung mit Passivhauskomponenten Univ.- Prof. Dr. Feist - Darmstadt Flächenheizsysteme Flächenheizsysteme werden häufig aufgrund ihres hohen Strahlungsanteils bevorzugt. In konventionellen Gebäude hat dies seine Berechtigung, nicht mehr jedoch im Passivhaus, im Gegenteil. Ein Fußbodenheizsystem ist aufgrund der große Masse sehr träge, und führt daher dazu, dass in der Übergangszeit Räume (durch die solare Einstrahlung über die Fenster) überheizt werden. Diese Überschusswärme wird dann hinausgelüftet, da z.b. der Fußboden als Wärmespeicher nicht zur Verfügung steht; letztlich wird der Energieverbrauch dadurch erhöht. 24

25 Gedankenmodell Fußbodenheizung Zum Verständnis werde folgendes Modell durchgespielt: in einem Niedrigenergiegebäude mit konventioneller, d.h. träger Fußbodenheizung und raumhohen Fenstern in Südost-Richtung tritt ein so hoher Fremdwärmegewinn durch Sonneneinstrahlung und innere Wärmequellen auf, dass in 50% der Heizperiode, d.h. an ca. 120 Tagen, der 6 cm dicke Heizestrich morgens im Mittel um ca. 3 K über der Rauminnentemperatur aufgeheizt wurde, obwohl keine Wärmezufuhr erforderlich war. Bestimmen Sie das Verschwendungspotenzial dieses Heizflächensystems in kwh/(m² a). Stoffwerte für den Heizestrich: Dichte: 2000 kg/m³, Spezifische Wärmekapazität: 1,2 kj/(kg K). Ergebnis: Verschwendungspotenzial: 14,4 kwh/(m² a) 25

26 Energiebilanz EFH zwei Heizkreise: FBH gegenüber HK in der Übergangszeit 30% höhere WA 26

27 Energieanalyse aus dem Verbrauch (E-A-V) - Plan: weitere Feldprojekte wie Projekte Brennwertkessel - OPTIMUS 27

28 Zusammenfassung: Problematik Fußbodenheizungen in EnEV-2009-Gebäuden Heizlast typisch: W/m² - Anteil innerer und solarer Quellen hoch Trägheit führt zu Verschwendung: kwh/(m² a) ( Un )Regelbarkeit führt zu Verschwendung: kwh/(m² a) Anteilige Verluste nach unten nehmen mit sinkenden Heizwassertemperaturen zu! Ungeregelte Wärmeabgabe an beheizte / unbeheizte Räume oder ans Erdreich 28

29 Weitere Beispiele aus der Praxis: Bioenergiedörfer mit Nahwärmenetzen (Biogas-BHKW) (DBU) Solare Nahwärmenetze (BMU) Solare Heizungsunterstützung (BMU) Brennwertkesseleffizienz (DBU) Wärmepumpeneffizienz (Erdreich mit Solarunterstützung) (BMU) Holzkesseleffizienz (BMU) Hydraulischer Abgleich (DBU) Einzelraumregelsysteme (BBSR) Kontrollierte Wohnungslüftung Abluftsysteme (BBSR) Kontrollierte Wohnungslüftung Zu-/Abluft-Systeme mit WRG (BBSR) Mehr Informationen: 29

30 Neuerkerode Beispiel: DBU-Projekt Neuerkerode

31 Problematik Nahwärme/Verteilnetze (DBU-Projekt Neuerkerode 2015 ) Neuerkerode Energieflüsse Nahwärme in MWh/a (witterungskorrigiert, brennwertbezogen) Zentrale 84,4 % Kessel 84,7 % Feuerung 86,0 % Verteilnetz 80,4 % 2861 Biowärme 9016 Gas 99 % Heizöl 1 % Input Nutzen Verteilverluste heute: 20% zukünftig: 40-50% Anschlussdichte so hoch, dass Biomassebudget [35 kwh/(m²a)] reicht Abgas Komponenten Oberfläche Verteilnetz 31

32 heute ca. 20 % Verteilverlust bei Gebäuden mit 200 kwh/(m²a) Nahwärme Neuerkerode: Zufuhr - Lieferung - Abnahme Leistung, in kw 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Steigung: 98 kw/k 85 kw/k 88 kw/k 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 Außentemperatur, in C Energiezufuhr (Erdgas + Bioabwärme) Netzwärmezufuhr Gebäudewärmeabnahme Biowärmeeinspeisung Sockel: 645 kw 595 kw 375 kw 273 kw 32

33 Feldanlage Speyer Alter Schlachthof Anlagenbeschreibung Eigentümer Stadtwerke Speyer Ansprechpartner: Herr Helf Anlage 545 m² Flachkollektoren; 100 m³ Pufferspeicher; davon 13 m² Bereitschaft. Brennwertkessel mit 575 kw Leistung Nahwärmenetz Wohnhäuser - 49 Reihen- und 12 Doppelhäuser (ca m²) Messwerterfassung Kessel und Solaranlage über Volumenstrom und Temperaturen Abgabe an Nahwärmenetz über Volumenstrom und Temperaturen Übergabe an Wohnhäuser WMZ 33

34 Lageplan Wohngebiet 34

35 Anlagenschaubild 35

36 Energieflussdiagramm ( bis ) QV,Kessel 40 MWh QN, Kollektorkreis 209 MWh QV, Speicher+ Heizzentrale 14 MWh QV,Nahwärmenetz 197 MWh QF, Kessel 715 MWh Gas- Brennwertkessel Viessmann Vitocrossal 300 CT 575 kw QK, gesamt 675 MWh QN, Nahwärmenetz 870 MWh QN, Wohnhäuser 673 MWh 36

37 Energie Analyse aus dem Verbrauch 37

38 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress

39 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress

40 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 EEWärmeG mit Nullsummenspiel 15/95=0, alle Angaben in kwh/(m²a) für ein EFH mit 130 m² (80) 93 40

41 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 Anlagenschaubild einer Felduntersuchung MFH (2) mit Solarthermie (TWW + HU), Bj. 1973, 1350 m² Pufferspeicher 2 x 950 Liter Zirkulation TWW Solaranlage Kaltwasser Raumheizung Haus Nr. 11 NT-Kessel Inkl. AWÜ Raumheizung Haus Nr. 9 Messstellen 41

42 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 Energiebilanz einer Felduntersuchung: MFH (2) eine Heizzentrale Bj. 1973, 1350m² Ist-Zustand: Primärenergie: 363 MWh/a 42

43 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress Ungenügender Hydraulischer Abgleich von Heizungs- und Lüftungsanlagen (1) SYMPTOM In einem fünfgeschossigen Niedrigenergie-Mehrfamilienhaus werden folgende Beobachtungen gemacht: In der Heizzeit treten in den Erdgeschosswohnungen erhöhte Fensterkipplüftung auf, in den Wohnungen im Obergeschoss beschweren sich die Bewohner über unzureichende Raumtemperaturen und Zugerscheinungen. mögliche Unterversorgung mögliche Überversorgung 43

44 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 Hydraulische Optimierung äquivalente Energieeinsparung, in [kwh/(m²a)] Optimierung umfasst: hydraulischen Abgleich Wirtschaftlichkeit der Optimierung (Werte bezogen auf die beheizte Fläche) mit Pumpen- und Reglereinstellung im Bestand notwendige Einsparung Erreichte Einsparung (30) alle EFH (19) MFH (11) bis bis (18) 1994 (9) Gebäudetyp Baujahr ab 1995 Fernwärme Gas/Öl (3) (8) (22) Versorgung Quelle: Projekt Optimus (30 optimierte Wohngebäude) 44

45 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 Dämmung von Leitungen: 45

46 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 Ungeregelte Wärmabgabe im Estrich verlegter Rohrleitungen: SYMPTOM In Niedrigenergie-Mehrfamilienhäusern werden in den Innenfluren erhöhte Raumtemperaturen festgestellt. DIAGNOSE Erhöhte Wärmeabgabe der im Estrich verlegten ungedämmten Kunststoffleitungen für die Einzelanbindung aller Heizkörper von einem Wohnungsverteiler ( Spaghetti Verteilung ). Gleichzeitig Abfuhr der Überschusswärme über die Abluftabsaugung in den benachbarten Sanitärräumen. EINSPARPOTENTIAL kwh/(m²a) 46

47 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 Hydraulischer Abgleich: mögliche Unterversorgung Heizung mögliche Überversorgung Lüftung 47

48 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 Wirkungs- und Nutzungsgrad, in [-] Praxisergebnisse für kleine Brennwertkessel Bericht in den Unterlagen mittlerer Kesselwirkungsgrad mittlerer normierter Kesselnutzungsgrad ) 47) 1) 0) 6) 3) ) 3) 35) 3) 1) 46) 1 ( 4 1 ( 5 ( 2 ( ( ( 1 ( ( ( ( 1 n ng. (4 ch. en n ( g ng til ntil ch ich e i u h l n n h g e e äc che fläc zu tzu ve ve ge.re aufs er er l t f e B ü m p m r m tü t iz zflä z r er B i s s m rö trö e m r e r e t u e u H ei H te nte rs ers izt eizt ra auft t Ra e n e H e e t z i u u r n rl mi eh beh re Üb t Üb ie erte ar olar e f l r o b r fe f. V or, ne mi eg gri So S un t e h t i e e o in R ge i e v m hn nt s i o g w nd un u r ie tte i w fre 48

49 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress

50 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress

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52 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress

53 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress

54 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress

55 Wolff OPTIMIERUNG DES GEBÄUDE- UND ANLAGENBESTANDS uponor Kongress 2011 Die Frage ist: ab welchem Standard ist diese Maßnahme notwendig? 55