Anbau von Wintergärten Energiebilanz positiv oder negativ? Prof. Dr.-Ing. Helmut Marquardt Institut für Weiterbildung und Bauprüfung (IWB) an der Hochschule 21 Harburger Str. 6, D-21614 Buxtehude Tel.: (0049-4161) 648-204, Fax: (0049-4161) 648-206 marquardt@hs21.de http://www.fh-buxtehude.de/marquardt 1. Problemstellung Vom Anbau eines Wintergartens erhoffen sich Baukunden einen zumindest zeitweilig nutzbaren Wohnraum mit einer ansprechenden Bepflanzung, aber auch passive Solarenergienutzung zur Heizkosteneinsparung und Verringerung der CO 2 -Emissionen. Wie geht man bei der energetischen Modernisierung damit um? Darüber ist mit der Bauherrschaft zu diskutieren: Als erstes ist die Nutzung des Wintergartens zu klären; der positive Effekt der passiven Solarenergienutzung durch südorientierte unbeheizte Glasvorbauten (Bild 1a) ist unstrittig. a) b) Bild 1: Nutzung von Wintergärten und ihre Einbeziehung in die thermische Hülle [1] a) unbeheizter Glasvorbau, nicht in therm. Hülle (= Systemgrenze) einbezogen b) beheizter Wohn-Wintergarten, in thermische Hülle einbezogen
Bei der (häufigen) Wahl eines beheizten Wohn-Wintergartens, d.h. eines großflächig verglasten Innenraums (Bild 1b), stellt sich jedoch die Frage nach den tatsächlichen Wärmeverlusten bzw. -gewinnen eines solchen Raumes. Die Auswirkungen beider Wintergarten-Varianten auf die Energiebilanz des Gebäudes werden im Folgenden diskutiert. 2. Gebäude mit unbeheiztem Glasvorbau Für die in der EnEV [2] vorgesehene Berechnung des Jahres-Heizenergie- und des Jahres-Primärenergiebedarfs von Gebäuden mit unbeheizten Glasvorbauten (vgl. Bild 1a) gibt es gemäß DIN V 4108-6 [3] verschieden genaue Ansätze: Generell können im vereinfachten Verfahren der EnEV = Heizperiodenverfahren unbeheizte Glasvorbauten nicht berücksichtigt werden; es ist das genauere Monatsbilanzverfahren anzuwenden. Hierbei berechnet sich als Kenngröße für die energetische Gebäudequalität der spezifische Transmissionswärmeverlust der Bauteile j = 1, 2,..., m zum unbeheizten Glasvorbau zu H u m W ( U A ) (1) = F, x j j j j= 1 K mit U j = Wärmedurchgangskoeffizient des Bauteils j zum Glasvorbau [W/(m² K)] A j = Fläche des Bauteils j zum Glasvorbau in der wärmeübertragenden Umfassungsfläche des Gebäudes [m²] F x,j = Temperatur-Korrekturfaktor des Bauteils j [ ]; je hochwertiger die Verglasung des Glasvorbaus gewählt wird, desto größer wird die Abminderung des spezifischen Transmissionswärmeverlusts: - Ein-Scheiben-Verglasung: F u = 0,8 - Zwei-Scheiben-Verglasung: F u = 0,7 - Wärmeschutzverglasung: F u = 0,5 Statt dieser vereinfachten Berücksichtigung der höheren Temperatur in unbeheizten Glasvorbauten können die solaren Wärmegewinne beim Monatsbilanzverfahren auch nach DIN V 4108-6 [3], 6.4.4, genauer berechnet werden Das Verfahren soll hier nicht vorgestellt werden (s. dazu z.b. [4]).
Da unbeheizte Glasvorbauten definitionsgemäß nicht beheizt werden, ergibt sich für sie keine Heizlast. Bild 2: Grundriss des Beispielgebäudes aus DIN V 4108-6 [3], Anhang F, fortgesetzt in DIN EN 12831, Beiblatt 1 [5] 3. Gebäude mit beheiztem Wohn-Wintergarten Wohngebäude mit Wohn-Wintergärten sind mit ihrem gesamten Volumen gemäß EnEV [2] als normal beheizte Gebäude zu betrachten, d.h. der großflächig verglaste Innenraum ist in die thermische Hülle einzubeziehen (vgl. Bild 1b).
4. Beispiel: Einfamilienhaus mit Wintergarten Variante 1: Unbeheizter Glasvorbau Verwendet wird als Beispielgebäude das nicht unterkellerte Einfamilienhaus aus DIN V 4108-6 [3], Anhang F allerdings hier ohne die selten eingebaute transparente Wärmedämmung, mit heute üblichen Fenstern (U w,bw = 1,3 W/(m² K), g = g 0 = 0,63) und mit Heizanlage innerhalb der thermischen Hülle (Bild 2). Das Gebäude erfüllt die Anforderungen der EnEV [2]; die mit den EnEV-Berechnungshilfen" von Maas et al. [6] mit dem Monatsbilanzverfahren für die dortige Heizanlage 8 vereinfacht ermittelten Berechnungsergebnisse für den spezifischen flächenbezogenen Transmissionswärmeverlust H T und den Jahres-Primärenergiebedarf Q P " (bezogen auf die Gebäudenutzfläche A N ) sind in Tabelle 1, Zeile 1, zusammengestellt. Tabelle 1: Vergleich des EnEV-Nachweises für das gesamte Gebäude und der Norm- Heizlast des Wintergartens für die beiden Varianten des Beispiels Randbedingungen Variante 1: unbeheizter Glasvorbau (vereinfacht gerechnet) Variante 2: Wohn-Wintergarten EnEV-Nachweis H T ' [W/(m² K)] erfüllt: vorh H T ' = 0,39 0,52 = max H T ' erfüllt: vorh H T ' = 0,48 0,52 = max H T ' EnEV-Nachweis Q P " [kwh/(m² a)] erfüllt: vorh Q P " = 98,24 110,17 = max Q P " erfüllt: vorh Q P " = 93,10 110,79 = max Q P " Norm-Heizlast des Wintergartens Φ HL = 3571 W Variante 2: Wohn-Wintergarten Das Gebäude mit unveränderter Heizanlage erfüllt wiederum die Anforderungen der EnEV (s. Tabelle 1, Zeile 2). Da das Beispiel aus DIN V 4108-6 [3], Anhang F, in DIN EN 12831, Beiblatt 1 [5] fortgesetzt wird, kann auf die dort angesetzten Grunddaten zurückgegriffen werden. Berechnet wird deshalb nur die Heizlast des Wohn- Wintergartens, und zwar mit dem EDV-Tool Heizlast DIN EN 12831, vereinfachtes Verfahren von mh-software [7]. Als Bauort wird Berlin gewählt mit Grundwasser in 5 m Tiefe unter der Bodenplatte deren Größe ergibt sich durch Addition der Wintergarten-Grundfläche zur vorhandenen. Zur Ermittlung der Zusatz-Aufheizleistung wird wie im Norm-Beispiel eine Nachtabsenkung von t Abs = 7 h bei einem üblichen
Temperaturabfall von θ RH = 2,0 K angenommen. Für das gesamte Gebäude wird die Gebäudemasse als mittelschwer angesetzt, damit ergibt sich für den Wohn-Wintergarten die Norm-Heizlast zu Φ HL = 3571 W (s. auch Tabelle 1, letzte Spalte). Wählt man als Heizflächen Heizkörper im Wohn-Wintergarten, so ergibt sich gemäß [8][9] mit Gleichsetzen der heutigen Norm-Heizlast Φ HL mit dem Norm-Wärmebedarf Q H nach alter DIN 4701-1, dem praxisüblichen (heute eigentlich nicht mehr erforderlichen) Auslegungszuschlag von x = 0,15 nach alter DIN 4701-3 [10], einer Auslegung der Heizungsanlage auf heutigem Niedertemperatur-Niveau mit Vor- bzw. Rücklauftemperatur T V = 55 C bzw. T R = 45 C, d.h. mittlerer Heizwassertemperatur T m = 50 C und damit dem Umrechnungsfaktor f 1 = 0,51 auf T m = 70 C (als Bezugstemperatur für die Wärmeleistung nach DIN EN 442) sowie Verzicht auf Heizkörperverkleidungen, d.h. Umrechnungsfaktor f 2 = 1,0 die Auslegungswärmeleistung der Heizkörper zu ( 1 + x) Φ HL 1,15 3571W QH ' = = = 8052 W f1 f 2 0,51 1,0 Für die heute üblichen, nicht genormten Kompaktheizkörper mit gewählter Bauhöhe h = 600 mm berechnet sich nach [8] für den leistungsstärksten Typ 33 eine Gesamt- Baulänge der Heizkörper von l ges = 3,36 m, die auf mehrere Heizkörper im Wohn-Wintergarten aufgeteilt werden sollte. 5. Vergleich unbeheizter Glasvorbau mit Wohn-Wintergarten Aus den wichtigsten Berechnungsergebnissen des Beispiels in Abschnitt 3 zusammengestellt in Tabelle 1 können folgende Schlüsse gezogen werden: Auf Grund des im Mittel für das gesamte Gebäude deutlich schlechteren Wärmedurchgangskoeffizienten des Wohn-Wintergartens ist der hüllflächenbezogene spezifische Transmissionswärmeverlust H T beim Wohn-Wintergarten merklich höher (und damit schlechter) als beim unbeheizten Glasvorbau bei beiden Varianten werden jedoch in diesem Beispiel die Anforderungen der EnEV erfüllt.
Auf Grund der günstigen südorientierten, nahezu unverschatteten Lage (F S = 0,9) des Wohn-Wintergartens und seiner wärmetechnisch guten Bauteile Die Fenster wurden angesetzt mit U w,bw = 1,3 W/(m² K) und g = g 0 = 0,63 (s.o.) ist der nutzflächenbezogene Jahres-Primärenergiebedarf Q P [kwh/(m² a)] beim Wohn-Wintergarten deutlich geringer (= günstiger) als beim unbeheizten Glasvorbau bei beiden Varianten werden wiederum die Anforderungen der EnEV erfüllt. a) b) Bild 3: Vergleich der Monatswerte des Heizwärmebedarfs (berechnet mit [6]) a) Gebäude mit unbeheiztem Glasvorbau b) Gebäude mit Wohn-Wintergarten Betrachtet man die Monatswerte des Heizwärmebedarfs (Bild 3), so wird der Grund dafür erkennbar:
Im Frühjahr und Herbst gewinnt der Wohn-Wintergarten durch Sonneneinstrahlung Energie beim Gebäude mit Wohn-Wintergarten in Bild 3b ist dadurch die Heizperiode kürzer als beim Gebäude mit unbeheiztem Glasvorbau in Bild 3a, wodurch auch der Jahres-Primärenergiebedarf Q P geringer wird. In den Wintermonaten zeigt sich aber, dass der im Mittel höhere U-Wert des Wohn-Wintergartens zu einem höheren Heizwärmebedarf führt im Januar z.b. ist der Heizwärmebedarf beim Gebäude mit Wohn-Wintergarten mit 4010 kwh/monat (Bild 3b) deutlich höher als beim Gebäude mit unbeheiztem Glasvorbau mit 3610 kwh/monat (Bild 3a) analog wird der hüllflächenbezogene spezifische Transmissionswärmeverlust H T [W/(m² K)] größer. Letzteres wird auch bei der Heizlast deutlich, die für den rechnerisch kältesten Tag im Jahr d.h. im Winter berechnet wird: Der Wohn-Wintergarten des Beispiels benötigt mit Φ HL = 3571 W eine im Vergleich zu den anderen Räumen des Beispielgebäudes (vgl. Bild 2) merklich höhere Heizlast: Vernachlässigt man die nun entfallenden Außenwandanteile zwischen dem Wohn-Wintergarten und den angrenzenden Räumen (sowie die vom Norm-Beispiel geringfügig abweichenden Fenster, s.o.), so erhöht sich - die addierte Raumfläche A R zwar um 21,2 m² / 205,0 m² 10 %, - die Norm-Heizlast des Gebäudes aber um 3571 W / 15375 W 23 %. Im Wohn-Wintergarten sind entsprechend große Heizflächen vorzusehen am besten in Form von Heizkörpern mit geringem Wasserinhalt und nicht als Fußbodenheizung. Auch die Heizungsanlage ist für diese höhere Heizlast auszulegen bei einem modulierenden Brennwertgerät kein Problem, eine Wärmepumpenheizung wäre hierfür aber weniger geeignet. 6. Zusammenfassung Beispielberechnungen zeigen, dass südorientierte beheizte Wohn-Wintergärten mit Zwei-Scheiben-Wärmeschutzverglasung verglichen mit unbeheizten Glasvorbauten zwar einerseits an kalten Winterabenden eine hohe Heizlast [W] benötigen, welche zu großen Heizflächen führt,
jedoch andererseits der auf die durch den Wintergarten vergrößerte Gebäudenutzfläche bezogene Energiebedarf über die gesamte Heizperiode [kwh/(m² a)] sinken kann. 7. Summary Added Glasshouses a positive or a negative Energy Balance? Calculations show that heated glasshouses with double-pane, argon-filled, low-e glazing and orientation towards the south, compared with not heated glasshouses need high heat loads [W] during cold winter nights resulting in large heating units, but, on the other hand the energy consumption of the whole building applied to the larger interior space by the added glasshouse [kwh/(m² a)] will go down during the heating period. 8. Literatur [1] Marquardt, H.: Nutzung und Energiebilanz von Wintergärten Energieschleuder oder Sonnenfalle? Gebäude-Energieberater 3 (2007), H. 3, S. 28 33. [2] Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung EnEV) vom 02. Dez. 2004. Bundesgesetzblatt Teil I Nr. 64 vom 07. Dez. 2004. [3] DIN V 4108-6 : 2003-06: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden; Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs. [4] Marquardt, H.: Energiesparendes Bauen. Stuttgart: B. G. Teubner 2004. [5] DIN EN 12831 : 2003-08: Heizungsanlagen in Gebäuden; Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast. DIN EN 12831 Beiblatt 1 : 2004-04 (mit Änderung A1 : 2005-03): Heizungssysteme in Gebäuden; Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast; Nationaler Anhang NA. [6] EnEV-Berechnungshilfen" von Maas/Höttges/Kammer (Universität Kassel). Kostenloser Download unter http://www.bpy.uni-kassel.de (08.12.2003). [7] Heizlast DIN EN 12831, vereinfachtes Verfahren" von mh-software, Karlsruhe. Kostenloser Download unter http://www.mh-software.de (21.04.2006). [8] Pistohl, W.: Handbuch der Gebäudetechnik. Band 2: Heizung/Lüftung/Energiesparen. 4. Aufl. München: Wolters Kluwer (Werner) 2003. [9] Laasch, T.; Laasch, E.: Haustechnik. 11. Aufl. Wiesbaden: B. G. Teubner 2005. [10] DIN 4701-3 : 1989-08: Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden; Auslegung der Raumheizeinrichtungen.