Haustechnik für Architekten - Klimaschutz

Haustechnik für Architekten:
Konzepte für Heizsysteme in
energieeffizienten Gebäuden
Energieeffiziente Gebäude zeichnen sich dadurch aus, dass jene nur noch wenig bzw. sehr wenig
Energie für den Betrieb benötigen. Insbesondere die Beheizung dieser Gebäude stellt aus diesem
Grund scheinbar nur noch eine untergeordnete Anforderung an die Anlagentechnik, denn der
Heizwärmebedarf ist nur noch verschwindend gering. Doch der Schein trügt: Häufig führen die
unkontrollierten Verteilverluste von warmgehenden Leitungen für die Raumheizung und das
Trinkwarmwasser einschl. Zirkulation bereits zu hohen Wärmeverlusten an die Räume
„unterwegs“, sie können das Gebäude während der Übergangszeit sogar vollständig beheizen.
Während der warmen Jahreszeit führt dies dann zu unangenehmen Übertemperaturen. Dieses
Phänomen bedingt die Nachfrage der Kunden/Nutzer nach einer sommerlichen Kühlung. Dabei
sollten zuerst die übermäßigen Wärmeverluste der Anlagentechnik und dann selbstverständlich
auch die äußeren Wärmeeinträge durch die Solarstrahlung verhindert werden. Insofern stellen
moderne Gebäude eine höhere Anforderung an den sommerlichen und den winterlichen
Wärmeschutz. Ohne einen außenliegenden Sonnenschutz können moderne Gebäude nicht mehr
kostengünstig temperiert werden.
Doch auch die Trägheit bei Fußbodenheizungen und eine „Spagetti-Installation“ führen zu
vermehrten Überhitzungen. Es ist bei der Planung frühzeitig an einen sinnvollen Standort für den
Fußbodenheizkreisverteiler zu denken. Dieser soll auf der einen Seite nicht sichtbar sein und wird
dann gerne in irgendeine Ecke des Hauses / der Wohnung verbannt. Doch auf der anderen Seiter
werden dann sämtliche Anschlussleitungen durch den Flur zu den angeschlossenen Räumen
verlegt, was aufgrund der Verteilverluste zu einer Übertemperatur in Fluren (also den „NichtAufenthaltszonen“) führt. Letztendlich gibt es deswegen heute schon wieder Überlegungen die
Rohrleitungen von Fußbodenheizungen in Fluren zu dämmen.
Doch stellt die eigentliche Wärmeversorgung der Gebäude letztendlich auch eine
Herausforderung dar. Welches System ist für moderne Gebäude das Richtige? Fest steht, dass eine
Raumkühlung nur mit einer Flächenheizung, wie z. B. der Fußbodenheizung, umgesetzt werden
kann. Denn es ist nur eine geringfügige Untertemperatur der gekühlten Oberfläche zulässig, um
eine Kondensation auf den Kühlflächen zu vermeiden. Dies bedingt große Flächen – Heizkörper,
egal in welcher Ausführung, sind dazu nicht geeignet.
Wird eine Raumkühlung gewünscht, so sollte die Wärmeerzeugung auch in der Lage sein, die
Raumkühlung mit zu übernehmen und kein weiteres System erforderlich sein. Folglich eignet sich
nur eine reversible Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf oder eine Sole-WasserWärmepumpe, bei der z. B. die erdverlegten Leitungen während der Sommermonate nicht als
Wärmequelle sondern als Wärmesenke dienen. Am effizientesten ist dann eine passive Kühlung –
ohne Einsatz der Wärmepumpe – direkt über einen Wärmeübertrager, der überschüssige
Raumwärme an das Erdreich abgeben kann. Insgesamt resultiert daraus häufig auch noch ein
positiver Nebeneffekt, indem das Erdreich im Sommer auftemperiert wird und somit während der
Heizperiode eine höhere Quellentemperatur für die Wärmepumpe zur Verfügung steht. Alternativ
kann die Kühlung auch mit Hilfe von Luft stattfinden. Dabei ist jedoch anzumerken, dass Luft
gegenüber Wasser nur 1/400-tel der Wärme-/Kälteenergie bei gleicher Temperaturdifferenz und
gleichem Volumen aufnehmen kann. Die Lüftungskanäle müssen entsprechend groß ausgeführt
werden. Moderne Passivhäuser wurden derart konzipiert, dass mit dem notwendigen
Außenluftvolumenstrom / dem Luftwechsel eine Beheizung mit Luft stattfinden kann. Dieser
geringe raumweise Luftvolumenstrom ist jedoch zu gering, um auch eine Raumkühlung
umzusetzen. Zudem ist anzumerken, dass Luftheizungen mit reinem Außenluftanschluss (ohne
Umluft) im Winter die Räume austrocknen. Eine Feuchterückgewinnung wird mit modernen
Wärmeübertragern mittlerweile auch von der Industrie angeboten, so dass diesem Phänomen
minimal entgegengewirkt werden kann - doch eben nur minimal. Die persönlichen Erfahrungen
des Autors sind, dass eine Trennung der Raumtemperaturkonditionierung von dem notwendigen
Luftaustausch sinnvoll ist. Dies bedingt leider, dass die Kosten für ein wassergeführtes System
nicht eingespart werden können, was bei Passivhäusern stets angeführt wird. Alternativ kann bei
einem Umluftbetrieb sehr wohl eine Raumkonditionierung mit Hilfe der Luft stattfinden. Der
hauptsächliche Luftvolumenstrom wird bei dieser Technik nur zentral im Gebäude angesaugt und
dann im Kompaktgerät erwärmt oder gekühlt, so dass der Luftaustausch mit „frischer“ Außenluft
nur in dem Maße erfolgen muss, wie es durch die Schadstoffkonzentration der Raumluft
notwendig ist.
Sogenannte Kompaktgeräte, die aus einem Lüftungsteil mit Wärmeübertrager zur
Wärmerückgewinnung, einer Luft-Luft / Luft-Trinkwasser-Wärmepumpe und einer
Trinkwarmwasserspeicher bestehen, sind mit verhältnismäßig geringen Investitionskosten
verbunden und stellen momentan die häufigste Anlagentechnik bei Passivhaus-Wohngebäuden
dar.
Da beim Neubau stets auch das Erneuerbare Energien- und Wärmegesetz erfüllt werden muss,
fällt eine ausschließliche Beheizung mit Hilfe einer Brennwertheizung aus. Es muss dann eine
zusätzliche Solarthermieanlage eingebaut werden. Die Investitionskosten dieser Kombination
fallen jedoch höher aus als die einer Kompaktanlage und die Kompaktanlage kann zusätzlich auch
noch be- und entlüften.
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Bei größeren Gebäuden sind dennoch Kombinationen aus verschiedenen Wärmeerzeugern
sinnvoll. So kann beispielsweise eine Luft-Wasser-Wärmepumpe während der Sommermonate
die Trinkwarmwasserbereitung von Mehrfamilienhäusern übernehmen. Dies klappt effizient bis
zu einer Außentemperatur von ca. +2°C bis +5°C, je nachdem welche Technik umgesetzt wird. Bei
Unterschreiten der vorgenannten Außentemperatur übernimmt eine Gas-Brennwertheizung die
Wärmeerzeugung für die Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung oder beide Anlagen
werden parallel betrieben.
Eine Alternative stellt die Nahwärme dar, bei der die vorgenannten Systeme auch eingesetzt
werden könnten, doch benötigen energieeffiziente Gebäude nur noch wenig Wärmeenergie, so
dass die überwiegende erzeugte Wärme bei erdverlegten Leitungen als Verteilverluste verloren
geht. Aus diesem Grund eignen sich sogenannte „kalte Nahwärmenetze“ für Quartiere. Hierbei
dient beispielsweise ein Sondenfeld aus Tiefenbohrungen als Wärmequelle. Das „kalte“ Medium
wird in einer Ringleitung ohne Wärmedämmung bis hin zu den einzelnen Gebäuden geführt, so
dass dann die jeweiligen Gebäude mit eigenständigen Wärmepumpen erst vor Ort die
erforderliche höhere Temperatur für die Raumwärme und das Trinkwasser bereiten. Da ein kaltes
Medium in der Ringleitung transportiert wird, kann auch die Ringleitung selbst noch als
Wärmequelle dienen – ähnlich eines üblichen Flächenkollektors von Wärmepumpen.
Letztendlich kann eine zukünftige Energieversorgung – ohne fossile Energien – als Energieträger
nur elektrischen Strom sowie Gas zur Verfügung stellen. Und die vorhandene Infrastruktur kann
jene Energieträger auch bereits weitestgehend abdecken, es sind nur wenige Zusatzausbauten
erforderlich. Die Gasproduktion erfolgt mit Hilfe von „Power-to-gas“, es wird somit Gas aus
elektrischer Energie erzeugt, welche nicht ins öffentliche Netz eingespeist bzw. gespeichert
werden kann. Bei Öl funktioniert diese Technik nicht, so dass voraussichtlich Öl als Energieträger
für Heizungen zukünftig rückläufig sein wird.
Fazit:
Moderne Konzepte für die Wärmeversorgung von energieeffizienten Gebäuden müssen derart
konzipiert werden, dass nur geringe Verteilverluste auftreten und die Anlagentechnik die
zukünftigen regenerativen Energieträger nutzen kann.
Autor:
Dipl.-Ing. Peter B. Schmidt
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