Heizungsoptimierung In der Praxis Kosten und Nutzen des hydraulischen Abgleichs Workshop: Optimierung von Heizungsanlagen 8.-9. November 2012, Fraunhofer ISE, Freiburg 1
Übersicht des Vortrags Thema ist die hydraulische und regelungstechnische Optimierung von Wohngebäuden verschiedener Baualtersklassen und Dämmniveaus. Problemstellung: warum eigentlich optimieren? Vorstellung des Optimus-Projektes und der Partner ein bisschen Theorie die Problematik der Optimierung am Beispiel Einsparung und Kosten im Überblick Fazit und Ausblick 2
Problemstellung: warum eigentlich optimieren? 3
Ausgangslage Schwerpunkt: bestehende Gebäude, insbesondere nach baulichen Sanierungen. 1. altes Gebäude mit Hochtemperatur-Heizung 2. Dämmung der Gebäudehülle (ggf. auch nur teilweise) 3. Welche neuen Temperaturen reichen aus? Welche Wassermengen? Welche Pumpendrücke? Und die Gretchenfrage ist: was passiert, wenn man die Anlage anpasst? Spart man Energie? 4
So sieht s aus da draußen: Heizflächen und Thermostatventile großzügige Heizkörperbemessung: Heizkörpernormleistung effektiver Raumheizlast = etwa 1,7 Durchflusswerte (k V,S ) der eingesetzten Ventile sind etwa 7... 10fach zu groß. Der hydraulische Abgleich ist in deutlich weniger als 10 % der Anlagen vorhanden. Weniger als die Hälfte der Thermostatventile sind überhaupt voreinstellbar. 5
Verteilsystem und Umwälzpumpen großzügige Pumpenauslegung: vorhandene elektrische Pumpenleistung ausreichende el. Pumpenleistung = etwa 3,0 typischer Kennwert für installierte Pumpenleistung bezogen auf die beheizte Fläche: etwa 0,13 (MFH) 0,43 (EFH) W/m² für Heizungsumwälzpumpen Außerhalb des beheizten Bereichs verlegt: etwa 0,1 m/m² Heizungsleitungen mit mäßiger bis guter Dämmung etwa 0,08 m/m² Trinkwarmwasserleitungen mit guter Dämmung 6
Erzeuger und Regelung großzügige Wärmeerzeugerauslegung: vorhandene Erzeugerleistung Gebäudeheizlast = etwa 1,8 Zentrale Heizkurveneinstellung Heizkurvensteilheit etwa 1,6 bei allen Gebäudearten, Altersklassen und Energieversorgungen, Parallelverschiebung 4 K im MFH und 1 K im EFH Auslegungsvorlauftemperaturen von ca. 80 C für alle Gebäude 7
Das OPTIMUS-Projekt 8
Gewählte Gebäude im Projekt Optimus 43 92 Gebäude 59 mit Kessel 33 mit Fernwärme 1 12 52 EFH 40 MFH 1 8 14 47 mit Baujahren vor 1978 20 mit Baujahren von 1978-1994 25 mit Baujahren ab 1995 1 1 1 10 Energetisch auswertbare beheizte Fläche in 75 Gebäuden: 35.000 m² 9
Verbrauchsmessungen Wenigverbraucher als Referenzgruppe zweite Heizperiode: Verbrauchsmessung Vergleich des Energieverbrauchs der optimierten Gebäude und der nicht optimierten Referenzgruppe: Optimierung der Vielverbraucher Festellen des Einsparpotentials durch die Optimierung erste Heizperiode: Verbrauchsmessung 10
Optimierungsarbeiten in Planung und Ausführung 1. hydraulischer Abgleich mit Voreinstellung von Thermostatventilen, 2. Einstellung der ausreichenden Förderhöhe an der Pumpe 3. Einstellung der Vorlauftemperatur am zentralen Regler. Optimierung zur Verminderung des Verschwendungspotentials für Wärme, der elektrischen Hilfsenergie für die Pumpe und zur Komfortverbesserung 11
Ein bisschen Theorie 12
Funktion von Heizkörpern Beispielheizkörper im Prüflabor: Prüfbedingungen: 75/65/20 C gemessen: Heizkörperleistung: 1000 W Volumenstrom: 86 l/h (beide Werte stehen im Prospekt) Leistung ergibt sich bei einer mittleren Heizkörpertemperatur von ca. 70 C, d.h. 50 K Übertemperatur über Raumtemperatur 20 C 1000 W t = 50 K 75 C 70 C 65 C 1100 600 Typ 21 13
Funktion von Heizkörpern im Gebäude Heizkörperleistung = Raumheizlast: 600 W (nur 60 % des Prüfstandswertes) 20 C dazu mittlere Übertemperatur von t = 30 K ca. 0,6 50 K = 30 K notwendig, d.h. mittlere Heizkörpertemperatur von ca. 50 C z.b. 60 C 50 C z.b. 40 C 1. bei Wahl von 60 C Vorlauftemperatur ergibt sich eine Rücklauftemperatur von 40 C (Volumenstrom: 26 l/h) 2. bei Wahl von 55 C Vorlauftemperatur ergibt sich eine Rücklauftemperatur von 45 C (Volumenstrom: 52 l/h) usw. 600 W Vereinfachung: Heizkörperexponent vernachlässigt 14
Beispieloptimierung 15
Gegebene Etagenwohnung Etagenwohnung 2 Zimmer, Küche, Bad 60 m² beheizte Fläche Wandtherme mit integrierter Pumpe (und Überströmventil) Vorlauftemperatur 75 C nicht voreinstellbare Heizkörperventile Gebäude letztes Jahr baulich gut saniert Bad Wohnen Bad: 6 m² Küche: 12 m² Schlafen: 9 m² Wohnen: 33 m² Küche Schlafen 16
Ziel: Hydraulischer Abgleich mit Thermostatventiltausch Bad Küche Schlafen Wohnen Haus ist gut wärmegedämmt mit neuen Fenstern Plattenheizkörper (s. u.) neue voreinstellbare Thermostatventile mit Stufen 1-6 Welche Vorlauftemperatur? Welche Voreinstellungen? Bad: 6 m² Küche: 12 m² Schlafen: 9 m² Wohnen: 33 m² Typ 10 600 x 800 Typ 21 500 x 1200 Typ 11 600 x 800 Typ 21 900 x 1000 17
Alte Heizlast (nur zum Verständnis) alte U-Werte: Wände 1,5 W/(m²K) Fenster 2,8 W/(m²K) 1. alte mittlere Heizlast? 66? W/m² Bad Wohnen 75? W/m² 42? W/m² 450 W 1400 W 2. Heizlasten je Raum? Küche Schlafen 117? W/m² 78? W/m² 1400 W 7 00 W Raumheizlast 117 W/m² 78 W/m² 75 W/m² 42 W/m² 18
Ausstattung mit Heizkörpern (so vorgefunden) aufgenommen wurden alle 4 Heizkörper mit Hilfe eines Tabellenbuchs dokumentiert wurde die Normheizkörperleistung bei 75/65/20 C Bad Wohnen 450 W 1400 W 550? W 1650? WW 3. Heizkörper je Raum? Küche 1400 W 1450? WW Raumheizlast Heizkörpernormleistung Schlafen 700 W 750? W 550 W 750 W 1450 W 1650 W 19
Neue Heizlast (abgeschätzt oder berechnet) neue U-Werte: Wände 0,3 W/(m²K) Fenster 1,3 W/(m²K) Bad Wohnen 450 W 1400 W auf 44... % auf 61... % 4. neue mittlere Heizlast? 31? W/m² 5. Wie stark ist die Heizlast in den einzelnen Räumen gesunken? Küche 1400 W auf 35... % Raumheizlast alt Raumheizlast neu Schlafen 700 W auf 44... % auf 35 % auf 44 % auf 44 % auf 61 % 20
Relative Verhältnisse nach der Modernisierung es werden gebraucht: die neue Raumheizlast die installierte Heizkörperleistung bei Normbedingungen Bad Küche 490 W 1450 W Schlafen Wohnen 200 W 36 850 W 52?? 550 W % 1650 W % 34? 310 W 41 %? 750 W % 6. Wieviel Prozent der vorhandenen Normheizkörperleistung wird in den einzelnen Räumen gebraucht? 7. Welcher Raum bestimmt die neue Vorlauftemperatur? Verhältnis Raumheizlast neu Heizkörpernormleistung 21
Zwischenstopp: welche Daten sind nötig? Größe der Fenster- und Außenflächen sowie deren aktueller Dämmstandard für die überschlägige Ermittlung der Raumheizlast mit Software man braucht nicht: alte Heizlasten und derzeitige Netztemperaturen Typ und Maße der vorhandenen Heizflächen für die Ermittlung der Normheizleistung mit Tabellenbuch/Software Typ, DN und Voreinstellbarkeit der Thermostatventile bzw. Rücklaufverschraubungen für den Hydraulischen Abgleich Diese Daten aufzunehmen erfordert eine Begehung jedes beheizten Raumes vor Ort. 22
Ermittlung der neuen Vorlauftemperatur Auslegungsdiagramm für Heizkörper (20 C Raumtemperatur) Rücklauftemperatur, in [ C] 80 60 70 50 60 40 30 50 20 40 t V t R m & / Q & / & & m N t V Q N Q & / m & / t R & Q N m& N 30 % 40 % Leistungsverhältnis Heizkörperexponent n: 1,3 Massenstromverhältnis Normdaten: 75 / 65 / 20 C beide bezogen auf die Normangaben des Herstellers 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 110 % 120 % N 300 % 200 % 150 % 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 30 10 % 20 % Küche 20 0 20 0 10 30 40 20 50 30 60 40 70 50 80 60 90 70 Vorlauftemperatur, in [ C] Bad Schlafen Wohnen mindestens 53 C, damit es im Wohnzimmer warm wird, aber nicht mehr als 61 C, damit in der Küche die Volumenströme nicht zu klein werden. gewählt: 55 C 10 % 23
Ermittlung der einzelnen Rücklauftemperaturen Auslegungsdiagramm für Heizkörper (20 C Raumtemperatur) Rücklauftemperatur, in [ C] 80 60 70 50 60 40 30 50 20 40 t V t R m & / Q & / & & m N t V Q N Q & / m & / t R & Q N m& N 30 % 40 % Leistungsverhältnis Heizkörperexponent n: 1,3 Massenstromverhältnis Normdaten: 75 / 65 / 20 C beide bezogen auf die Normangaben des Herstellers 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 110 % 120 % N 300 % 200 % 150 % 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 30 10 % 20 % Küche 20 0 20 0 10 30 40 20 50 30 60 40 70 50 80 60 90 70 Vorlauftemperatur, in [ C] Bad Schlafen Wohnen 10 % Ablesen der Rücklauftemperaturen bei 55 C Vorlauf 24
Ermittlung der Rücklauftemperatur der Volumenstrom bei ursprünglicher Auslegung betrug etwa 230 l/h. 9. Welche Rücklauftemperaturen ergeben sich? 45 C Bad Wohnen 33 C... % 45 C... % 8 l/h 78 l/h 37 C 33 C Küche 31 C... % 21 l/h Schlafen 37 C... % 16 l/h 31 C 10. neue mittlere Rücklauftemperatur 40,8? l/h C Volumenstrom / Temperaturen neu 25
Ermittlung der Volumenströme Auslegungsdiagramm für Heizkörper (20 C Raumtemperatur) Rücklauftemperatur, in [ C] 80 60 70 50 60 40 30 50 20 40 t V t R m & / Q & / & & m N t V Q N Q & / m & / t R & Q N m& N 30 % 40 % Leistungsverhältnis Heizkörperexponent n: 1,3 Massenstromverhältnis Normdaten: 75 / 65 / 20 C beide bezogen auf die Normangaben des Herstellers 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 110 % 120 % N 300 % 200 % 150 % 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 30 10 % 20 % Küche 20 0 20 0 10 30 40 20 50 30 60 40 70 50 80 60 90 70 Vorlauftemperatur, in [ C] Bad Schlafen Wohnen 10 % Ablesen der prozentualen Normvolumenströme bei 55 C Vorlauf 26
Ermittlung der Volumenströme der Volumenstrom bei ursprünglicher Auslegung betrug etwa 230 l/h. 8. neuer Gesamtvolumenstrom 123? l/h l/h Bad Wohnen 18... % 55... % 8 l/h 78 l/h 9. Wieviel Prozent des Normvolumenstroms wird in den einzelnen Räumen gebraucht? Küche 17... % 21 l/h Volumenstrom neu Schlafen 24... % 16 l/h 17 % von 125 l/h 18 % von 47 l/h 24 % von 65 l/h 55 % von 142 l/h 27
Pumpe die im Kessel integrierte Pumpe ist nicht voreinstellbar. das Gerät hat ein ebenfalls nicht einstellbares Überströmventil ohne Überströmventil Überströmventil öffnet 250 mbar mit Überströmventil 10. Welchen Druck liefert das Gerät? l/h 28
Thermostatventileinstellung (ohne Differenzdruckregler) eingesetzt werden feinst-einstellbare Ventile Druckabfall am Ventil fast 250 mbar 11. Welche Voreinstellung wird in den einzelnen Räumen eingestellt? Bad Küche Schlafen Wohnen VE 1? VE 3? VE 2? VE 5? 29
Zu hoher Druck? Geräusche? Einziger Ausweg Problem: der Differenzdruck von 250 mbar schlägt sich bis an die Thermostatventile nieder, welche Geräusche machen 12. Und was kann man dagegen tun? Überströmventil Thermostatventil Differenzdruckregler (50 bis 200 mbar) hier eingestellt: ca. 65 mbar 30
Thermostatventileinstellung (Mit Differenzdruckregler) eingesetzt werden feinst-einstellbare Ventile Druckabfall am Ventil etwa 60 mbar 13. Welche Voreinstellung wird dann in den einzelnen Räumen eingestellt? Bad Küche Schlafen Wohnen VE 2? VE 4? VE 4? VE 6? 31
Zwischenstopp: welche Daten sind nötig? Die Länge des längsten Strangs des Rohrnetzes und die Entfernung der einzelnen Heizkörper zur Pumpe (weit, mittel, nah) bei größeren Gebäuden dies kann für Ein- und Zweifamilienhäuser entfallen Längster Strang Aufnahme von Sondereinbauten (z.b. Filter) für die Abschätzung der Druckverluste dieser Bauteile Fabrikat und Typ der Pumpe und Einstellbereiche von sonstigen Einbauten wie z.b. Differenzdruckregler 32
Zwischenstopp: das macht die Software! Abschätzung von Druckverlusten für Netz und Sondereinbauten Empfehlungen zu Differenzdruckreglern Angabe der Pumpenförderhöhe Einstellwerte der Thermostatventile für gängige Fabrikate 33
Einsparung und Kosten 34
Wirtschaftlichkeit der Optimierung Wirtschaftlichkeit der Optimierung (Werte bezogen auf die beheizte Fläche) äquivalente Energieeinsparung, in [kwh/(m²a)] 20 15 10 5 0 (30) EFH (19) MFH (11) bis 1977 (18) 1978 bis 1994 (9) ab 1995 (3) notwendige Einsparung Erreichte Einsparung Fernwärme (8) Gas/Öl (22) alle Gebäudetyp Baujahr Versorgung 35
Kosten Verallgemeinerte Kosten für die Optimierung (für EFH und MFH unterschiedlich großer beheizter Fläche) EFH MFH 100000 5,0 /m² Kosten, in [ ] 10000 1000 neue Pumpe/neuer Differenzdruckregler + Thermostatventile neue Thermostatventile 2,5 /m² 1,0 /m² Komponenten nur einstellen 100 10 100 1000 10000 beheizte Fläche, in [m²] neue Pumpe/neuer Differenzdruckregler 36
Fazit und Ausblick 37
Optimierungsempfehlungen Bewertung anhand Energieeinsparung sowie Wirtschaftlichkeit. EFH mit Kessel mit Fernwärme MFH mit Kessel mit Fernwärme Baujahr bis 1977 nicht baulich modernisiert o o o o Baujahr bis 1977 größtenteils baulich modernisiert + + ++ + Baujahr 1978 bis 1994 + + ++ + Baujahr ab 1995 ++ ++ ++ ++ Uneingeschränkte Empfehlung: Gebäude mit Baujahren ab 1978 Gebäude mit Baujahren vor 1977: vorwiegend MFH und Gebäude mit Kesseln (größere Einsparungen zu erwarten) - möglichst wenn ohnehin Investitionen in die Anlage / Baukörpermodernisierung notwendig sind - oder wenn einstellbare Komponenten vorhanden sind 38
Fazit und Aufruf es sind alle Hilfsmittel vorhanden, die Einsparmöglichkeit ist bewiesen die Kosten sind eher gering im Neubau ist der hydraulische Abgleich eigentlich verpflichtend aber die EnEV 2014 wird ihn nach 10 Jahren Erfahrungen wahrscheinlich immer noch nicht fordern im Bestand und Neubau fordert ihn zumindest schon mal die KfW und das BAFA also: einfach anpacken und umsetzen! vom BMU geförderte Kampagne co2online - Ostfalia: Meine Heizung kann mehr - www.meine-heizung.de Danke für Ihre Aufmerksamkeit 39
Literatur und Links www.delta-q.de -Projektergebnisse und Grundlageninformationen -kostenlose Software als Excel und Handbücher in der Rubrik: DBU Optimus 40