Kein Haus ohne Heizung. 126 passivhaus Kompendium EFFiziEntE wärmeerzeugung im passivhaus. von bernhard Schmitz

Transkript

1 Kein Haus ohne Heizung EFFiziEntE wärmeerzeugung im passivhaus von bernhard Schmitz 126 passivhaus Kompendium 2016 Foto: jackfrog/fotolia.com

2 Braucht ein Passivhaus eine heizungsanlage? Oder reicht eine Lüftungsanlage mit einem effizienten Wärmetauscher aus? Gibt es das Passivhaus ohne Heizung wirklich, welches ohne konventionelle Heizungsanlage ein behagliches Raumklima erzeugt? Oft hört man, es sei möglich die geringe Heizlast mit einigen Teelichtern abzudecken. In diesem Kontext sei eine Anekdote erwähnt, die dem Produktkatalog eines Baustoffanbieters entnommen ist: Ein Besucher betritt im November bei klirrendem Frost ein Passivhaus. Die Temperatur drinnen beträgt angenehme 21 C. Er geht auf den einzigen im Haus eingebauten Heizkörper zu und stellt fest, dass er kalt ist. Die Bauherrin versichert ihm, dass der Heizkörper bisher noch nicht gebraucht wurde und daher auch nicht in Betrieb war bzw. ist. Können wir das glauben? Natürlich können die Angaben stimmen, da wir nicht wissen, unter welchen Bedingungen sie entstanden sind. Aber wollen wir uns darauf verlassen, nur irgendwie einen Zustand der Behaglichkeit zu erzeugen? Zumal uns die heutige Technik fast unbegrenzte Optionen liefert. Um das Endergebnis vorwegzunehmen: Heizung unbedingt auch im Passivhaus. Auf keinem Fall Haus ohne Heizung. Von der Behaglichkeit Beginnen wir mit der Definition des oft genutzten Begriffs Behaglichkeit. In der DIN heißt es dazu: Mit RLT-Anlagen können direkt die Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit, Luftfeuchte und die Luftqualität des Raumes beeinflusst werden. Thermische Behaglichkeit ist gegeben, wenn der Mensch mit Temperatur, Feuchte und Luftbewegungen seiner Umwelt zufrieden ist und weder wärmere noch kältere, weder trockenere noch feuchtere Raumluft wünscht. Wesentlichen Einfluss auf das Behaglichkeitsempfinden übt hierbei der Mensch aus durch seine Tätigkeit und durch die Art seiner Bekleidung. Umfeldgrößen wie z. B. Raumtemperaturen, Lufttemperatur-Schichten, Raumluftgeschwindigkeiten und Raumluftfeuchte sind hierbei zu berücksichtigende Parameter. Die Grafik verdeutlicht den Einfluss von Luftfeuchte und Raumtemperatur auf das menschliche Behaglichkeitsempfinden. Konzentrieren wir uns jedoch auf die Beeinflussung der Raumlufttemperatur als wichtigste Kenngröße. Dies ist die Aufgabe einer im Gebäude befindlichen Wärmeerzeugungs-, Verteilungs- und Übertragungsanlage also der klassischen Heizung. Die Heizungsanlage sorgt dafür, dass die in der Heizungsperiode durch Transmission und Lüftung entstehenden Wärmeverluste ausgeglichen werden. Dieser physikalische Vorgang findet auch in einem Passivhaus statt. Wobei hier solare Wärmegewinne und Gewinne durch innere Wärmequellen durch die insgesamt sehr geringe Heizlast sehr viel stärker wirken als in Nichtpassivhäusern. Die nachstehende Grafik nach PHPP stellt anhand eines aktuell in Hannover-Kronsberg im Bau befindlichen Passivhauses das Verhältnis zwischen Verlusten und Gewinnen dar. Die Energiebezugsfläche beträgt 223 m². Grafiken: Schmitz Behaglichkeit im Kontext von Lufttemperatur und Luftfeuchte nach DIN Energiebilanz Heizwärme nach dem Jahresverfahren im PHPP Zu den Verlusten: Transmissionswärmeverluste Q T = 3268 kwh/a q T = 37,2 kwh/(m²a) Lüftungswärmeverluste Q L = 880 kwh/a q L = 4,0 kwh/(m²a) Gesamt-Wärmeverluste Q V = 9148 kwh/a q V = 41,2 kwh/(m²a) Zu den Gewinnen: Gewinne durch solare Strahlung Q S = 3514 kwh/a q S = 15,8 kwh/(m²a) Gewinne durch innere Wärmequellen Q I = 2478 kwh/a q I = 11,1 kwh/(m²a) Gesamt-Wärmegewinne abzüglich Verluste Q G = 5721 kwh/a q G = 25,7 kwh/(m²a) Heizwärmebedarf (Restheizenergie) Q H = 3427 kwh/a q H = 15,4 kwh/(m²a) Passivhaus Kompendium

3 Der jährliche Heizwärmebedarf von 15,4 kwh/(m²a) bzw kwh/a (roter Block der rechten Säule) beinhaltet die Energiemenge, die jährlich in Form von Wärmeenergie dem Gebäude zugeführt werden muss, um die Mindestanforderungen der Behaglichkeitskriterien zu erfüllen, also eine Raumtemperatur von mindestens 20 C zu gewährleisten. Der prozentuale Anteil dieser sogenannten Restenergie stellt immerhin einen Anteil von rund 37 % an den Gesamtwärmeverlusten dar. Die Gewinne können demnach die Gesamtwärmeverluste nur zu 63 % abdecken. Daraus ist zu schließen: Ohne Heizung ist das Passivhaus im Winter nicht bewohnbar. Die Bereitstellung der Rest-Wärmeenergie kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Durch elektrischen Strom, durch elektrisch betriebene Wärmepumpen, durch pellet- bzw. erdgasgestützte Wärmeerzeuger oder durch Fernwärme. Die Wärmeübertragung ist über die Zuluft, die ohnehin zur Be- und Entlüftung notwendig ist, durch Heizkörper, durch Fußboden-, Wandoder Deckenheizung oder durch deren Kombinationen möglich. Da inzwischen nachgewiesen ist, dass auch ein Passivhaus nicht ohne Heizung auskommt, ist zu untersuchen, wie die Wärmeerzeuger und die Art und Weise der Wärmeübertragung hinsichtlich Kosten und Effizienz zu bewerten sind. Aus der Vielzahl der Anlagenvarianten werden folgende Systeme ausgewählt und hinsichtlich ihrer Effizienz, der Kosten für die Anschaffung und der Kosten für den laufenden Betrieb untersucht: Elektroheizung Kompaktgerät bestehend aus Luft-Luft-Kleinstwärmepumpe, Warmwasserspeicher und Lüftungsgerät mit Wärmeübertrager Sole-Wasser-Wärmepumpe Gas-Brennwert-Gerät. Elektroheizung Die reine Elektroheizung ist natürlich nicht empfehlenswert. Sie ist zwar hinsichtlich ihrer Anschaffung am günstigsten, verursacht jedoch hohe jährliche Verbrauchskosten. Die Betrachtung dient somit nur dem Zweck, die Sinnhaftigkeit dieser Heizungsform mit anderen Beheizungsoptionen zu vergleichen. Um das Konzept der reinen Elektroheizung umzusetzen, gibt es diverse Möglichkeiten der Konfigurationen, wie z. B. die Beheizung über elektrische Fußbodenheizungen, die Beheizung über elektrische Konvektoren oder die elektrische Erwärmung der Zuluft. Dazu werden in das Zuluftrohr ein zentrales elektrisches Vorheizregister oder an den Zuluftauslässen dezentrale elektrische Heizelemente mit PTC-Charakteristik montiert. Das zentrale Gerät oder die diversen dezentralen Geräte sollten eine solche elektrische Leistung aufweisen, dass die Zuluft auf bis zu 52 C erwärmt werden kann. Eine Erwärmung von mehr als 52 C ist laut Passivhausanforderungen nicht erlaubt, da Geruchsbelästigungen durch Staubverschwelungen auftreten können. Das Gebäude ausschließlich über die Zuluft zu beheizen, ist nur in einem Passivhaus möglich, da ohnehin eine Lüftungsanlage vorhanden ist und die geringe Resterwärmung auch über die erwärmte Zuluft abgedeckt werde kann. Dieses muss jedoch vorher rechnerisch ermittelt werden. Im PHPP-Nachweis gibt ein spezieller Rechengang Auskunft darüber, ob die komplette Restenergieabdeckung über den geplanten Zuluftstrom möglich ist. Ist dies nicht der Fall, sind zusätzlich zur Beheizung über die Zuluft weitere Heizflächen insbesondere in den kritischen Räumen vorzusehen. Nachweis im PHPP, ob allein über die Zuluft die Heizwärmelast abgedeckt werden kann. Kompaktgerät bestehend aus Kleinstwärmepumpe und Lüftungsgerät Der Einsatz von Kompaktgeräten wird immer beliebter, weil diese Geräte alle Versorgungsaufgaben erfüllen können. Dazu gehören die Heizung durch Erwärmung der Zuluft, die Warmwasserbereitung und die effiziente Lüftung. Herzstück jedes Kompaktgerätes ist eine Luft-Luft-Kleinstwärmepumpe, deren Verdichter im Schnitt eine elektrische Leistung von 500 W aufnehmen. Die erzeugte thermische Wärmepumpenleistung beträgt zwischen 1500 und 2000 W. Der COP liegt zwischen 3 und 4. Die Abdeckung der Heizwärmelast kann durch Kompaktgeräte nur teilweise über die erwärmte Zuluft erfolgen. Laut Prüfergebnissen des Passivhaus Instituts können die gegenwärtig verfügbaren Kompaktgeräte je nach Modell Zulufttemperaturen von bis zu 41 C erzeugen. Da aber meist die maximal zulässige Zulufttemperatur von 52 C benötigt wird, um die Heizwärmelast vollständig abdecken zu können, werden zusätzlich Geräte benötigt. 128 Passivhaus Kompendium 2016

4 Tabelle: Schmitz Übersicht der Wärmepumpenkompaktgeräte Vorher ist zu prüfen und zu berechnen, ob allein über den Luftvolumenstrom die Beheizung gesichert werden kann. Wurde das ermittelt, wird die fehlende thermische Wärmepumpenleistung durch zusätzliche elektrische Nachheizer, z. B. dezentrale PTC-Heizelemente, ergänzt. Diese werden am sinnvollsten unmittelbar vor den Zuluftauslässen montiert. Damit ist es möglich, die ankommende bereits erwärmte Zuluft auf bis zu 52 C zu erwärmen. Ein Raumregler ermöglicht den geregelten Einsatz dieser Heizelemente. Diese technische Konfiguration erfordert zwar neben Strom für die Wärmepumpe auch Direktstrom für die zusätzlichen Heizelemente, trotzdem ist ein wirtschaftlicher Betrieb gewährleistet. Im Gegensatz zur reinen Elektroheizung wird die Grundlast durch die Wärmepumpe und nur die Spitzenlast durch reine Elektroheizung abgedeckt. Je nach Größe des Hauses liegt die prozentuale Verteilung der Lastabdeckung durch Wärmepumpe sowie elektrische Nachheizer bei etwa 80 % zu 20 %. Der Autor empfiehlt, diese Technik nur bei Häusern bis etwa 150 m² Wohnfläche zu verwenden. Größere Häuser sollten anders beheizt werden. Sole-Wasser-Wärmepumpen Passivhäuser mit einer Wohnfläche (Energiebezugsfläche) von mehr als 150 m² werden effizient mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe beheizt. Das heißt nicht, dass nicht auch kleinere Häuser mit dieser Technik ausgestattet werden können. Diese Konfiguration koppelt sich vom Luftvolumenstrom als Wärmeenergieträger ab. Da die Wärmepumpe am wirtschaftlichsten im Niedertemperaturbereich betrieben wird, ist der Einsatz einer Fußbodenheizung zu empfehlen. Der Wärmetransport von der Wärmepumpe als Wärmeerzeuger zu den jeweiligen Wohn- und Nutzräumen erfolgt über Heizungswasser als wärmeübertragendes Medium. Die gesamte Anlage ist so auszulegen, dass die Vorlauftemperatur des Heizungswassers 35 C nicht übersteigt. Vorteilhaft an dieser Konfiguration sind vor allem drei Aspekte: Niedrige Verbrauchskosten durch den hohen Wirkungsgrad der Sole-Wärmepumpe. Der COP liegt in der Regel deutlich über 4, was bedeutet, dass ein Teil elektrischer Strom mehr als vier Teile Wärmeleistung generiert. Der COP moderner Geräte liegt heute bereits über 5. Hoher Behaglichkeitskomfort durch die Wärmeübertragung über eine Fußbodenheizung. Auch die Bäder können effizient auf die Normtemperatur von 24 C erwärmt werden. Allein durch die Heizung per Zuluft ist dies nicht möglich, da aus Bädern nur Abluft abgesaugt und keine erwärmte Zuluft eingeblasen wird. Luftheizungen erfordern den Einbau eines Bad-Heizkörpers. In der Regel ist dies ein Elektroheizgerät. Nachteilig wirkt sich die Trägheit besonders in der Übergangszeit aus, wo eine Überheizung der Räume eintreten kann. Aus der Sicht des Autors wird dieser Nachteil durch die genannten Vorteile mehr als wettgemacht. Gas-Brennwert-Geräte Wenn am Standort des zu errichtenden Passivhauses Erdgasanschluss möglich ist, dann ist die Beheizung einschließlich Warmwassererzeugung mit einem Gas-Brennwert-Gerät eine effiziente und kostengünstige technische Lösung. Was bedeutet Brennwerttechnik? Bei Verbrennung von brennbaren Stoffen, z. B. fossilen Energieträgern, entsteht unter anderem CO 2 und H 2 O. Dieser verbindet sich mit dem zur Verbrennung notwendigen Sauerstoff zu Wasserdampf. Die im Wasserdampf enthaltene Wärmeenergie geht bei herkömmlichen Verbrennungsanlagen mit dem Abgas über den Schornstein nach außen verloren. Die Brennwerttechnik macht es möglich, diese Passivhaus Kompendium

5 bisherige Verlustwärme zu nutzen. In der Brennwerttechnik wird der Wasserdampf unter den Taupunkt abgekühlt. Es entsteht flüssiges Kondensat. Bei der Umwandlung wird Wärme frei; die zusätzliche Wärmemenge wird dem Heizsystem zugeführt. Damit dieser Effekt überhaupt entstehen kann, muss die Temperatur des Rücklaufwassers unter 57 C liegen, denn erst unterhalb dieses Temperaturpunktes wird der Wasserdampf wieder zu Wasser. Das ergibt einen Wirkungsgrad von 100 % plus ca. 10 % Wärmeenergie aus Wasserdampf. Ein Vorteil der Gas-Brennwerttechnik sind neben der Energieeffizienz durch Nutzung des Brennwertes auch die relativ geringen Investitionskosten. Durch die geringe Heizwärmelast eines Passivhauses, vergrößerte Heizflächen und daraus folgend sinkende Systemtemperaturen wird die Brennwertnutzung zusätzlich begünstigt. Es ist im Gegensatz zur Wärmepumpe nicht zwingend eine relativ teure Fußbodenheizung erforderlich. Die Brennwertheizung ermöglicht es ebenso, eine Heizungsanlage mit Wandheizkörpern effizient zu betreiben. Nutzwärmeverbrauch und Kostenvergleich Die nachfolgende Tabelle vergleicht den Nutzwärmeverbrauch sowie die Kosten für Investition, Kapitaldienst und Verbrauch. Vergleich Nutzwärmeverbrauch und Kosten (Energiebezugsfläche 223 m²) Die geringe Heizwärmelast eines Passivhauses und die Option der Heizung über dem Luftvolumenstrom ermöglichen den effizienten Einsatz eines Kompaktgerätes im monoenergetischen Betrieb. Das heißt, dass als Energieträger nur Strom verwendet wird. Die Luft-Luft-Wärmepumpe des Kompaktgerätes sorgt für die Grundlastabdeckung für Heizung und Warmwassererzeugung. Für die Spitzenlast stehen für die Gebäudeheizung PTC-Heizelemente und für die Warmwassererzeugung ein im WW-Speicher befindlicher elektrischer Tauchheizkörper zur Verfügung. Besonders im Blick auf die Nutzung von selbst erzeugtem Strom durch eine Photovoltaikanlage sind Kompaktgeräte wegen ihres monoenergetischen Betriebs optimal und technisch leicht zu steuern. Der Eigenstrom wird unmittelbar für den Wärmepumpenbetrieb und der optionalen Nutzung der PTC-Heizelemente und des Tauchheizkörpers verwendet. Damit ist der monoenergetische Betrieb gegenüber der Nutzung fossiler Brennstoffe deutlich im Vorteil. Eigenstrom ist nicht unmittelbar für Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung zu verwenden. Obwohl die Gesamtkosten einer Erdgas-Brennwerttherme nicht wesentlich höher als die der Kompaktgeräte sind, ist allein die einfache unmittelbare Nutzung regenerativer Energien (Photovoltaikstrom, Strom durch Windkraft) wesentlich umweltgerechter. Außerdem ist bei fossilen Energieträgern wie bei Erdgas die vorhandene Infrastruktur zu berücksichtigen. In vielen neu erschlossenen Baugebieten steht Erdgas nicht mehr zur Verfügung. Damit ist Strom der allein verfügbare Energieträger. Die Nutzung von Strom als direktem Energieträger ist nicht empfehlenswert. Die Verbrauchskosten sind mehr als doppelt so hoch als bei der indirekten Stromnutzung mittels Wärmepumpe. Hinzu kommt der Umweltaspekt: Der Primärenergiefaktor von Strom ist mit 2,4 (ab Frühjahr 2016: 1,8) so hoch, dass die Bedingungen der aktuell gültigen EnEV 2014 nicht erfüllbar sind. Natürlich ist auch die Sole-Wärmepumpe in Verbindung mit einer Fußbodenheizung eine kostengünstige Option. Der technische Aufwand ist im Vergleich zu den Kompaktgeräten wesentlich höher und macht daher einen höheren Wartungsaufwand erforderlich. Allerdings können wir der Sole-Wärmepumpe einen höheren Komfort bei Erfüllung der Behaglichkeitskriterien anrechnen. Letztendlich trifft der Bauherr die Entscheidung zwischen den empfohlenen Kompaktgeräten und den Sole-Wärmepumpen. Beide Lösungen liegen hinsichtlich Effizienz und unmittelbarer Nutzung regenerativer Energien auf sehr hohem Niveau. In jedem Fall aber gilt: Auch das Passivhaus braucht Wärme und ist niemals ein Haus Haus ohne Heizung. BernhaRD schmitz Dipl.-Ing., zertifizierter Passivhausplaner; er beschäftigt sich mit der Planung und Ausstattung von Passivhäusern mit Lüftungs- und Heizungstechnik einschließlich der Bauüberwachung und Inbetriebnahme Passivhaus Kompendium 2016