Benutzerfreundliche Heizungssysteme für Niedrigenergie- und Passivhäuser

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Teil A

Motivation

Der Energieverbrauch neuer Gebäude hat sich in den letzten 25 Jahren drastisch reduziert. Dies ist auf eine rasante Entwicklung von Baustoffen und Bautechnik zurückzuführen. Waren z.B. vor 10 Jahren Fenster mit einem U-Wert von 3 W/(m²K) die Regel, so sind heute zum gleichen Preis Fenster mit nur dem halben U-Wert Standard. Ähnliche Entwicklungen hat es bei anderen Baustoffen gegeben, sodass heute Häuser mit nur einem Sechstel des Energieverbrauchs (50 kWh/m²a) gegenüber durchschnittlichen Häusern vor 30 Jahren ohne Mehrkosten gebaut werden können. Mit geringen Mehrkosten kann der Energieverbrauch noch weiter gesenkt werden.

Gebäude in Niedrigenergiebauweise (bzw. Passivhausstandard) stellen aber andere Anforderungen an das Heizungssystem als herkömmliche Gebäude. Das vorliegende Forschungsprojekt befasst sich mit der Darstellung dieser Anforderungen sowie der Analyse von Heizungssystemen in Bezug auf End- und Primärenergiebedarf, treibhausrelevante Emissionen, Betriebskosten und qualitative Kriterien.

Inhalt

Nach einer Einführung in das Thema wurden in einem ersten Schritt zwei im Rahmen des EU-Projektes CEPHEUS energetisch vermessene Passiv-Mahrfamilienhäuser mit dem Simulationsprogramm TRNSYS nachgebaut und die Simulation mit der Vermessung abgeglichen. Hierbei wurden die Sensitivitäten vieler Einflussparameter auf den Raumtemperaturverlauf untersucht.

Im Rahmen einer Befragung in 53 Wohneinheiten von Niedrigenergie- und Passivhaus Mehrfamilienhäuser sowie aufgrund der Messungen im CEPHEUS Projekt als auch über Literaturstudien wurden Benutzerverhaltensmuster entwickelt. Ausgehend hiervon wurden zwei Referenz-Mehrfamilienhäuser entwickelt.

In einer, sicher nicht vollständigen, Betrachtung von 9 verschiedenen Heizungssystemen für solche Gebäude (4 Luftheizungs- und 5 Wasserheizungssysteme) mit den Wärmequellen dezentrale Abluftwärmepumpe, zentrale Erdreichwärmepumpe, zentraler Pellets- und Gaskessel sowie dezentraler Kaminofen und dezentraler Kachelofen wurden deren Eigenschaften, Vor- und Nachteile sowie der Platzbedarf beschrieben.

Vier dieser Systeme (dezentrale Luft/Luft/Wasser-Wärmepumpe, zentrale Sole/Wasser-Wärmepumpe, zentraler Gas- und zentraler Pelletskessel; alle zentralen Systeme mit Zweileiternetzen) wurden in einer detaillierten Simulation auf ihre Eigenschaften, End-, und Primärenergiebedarf, CO2-äquivalent Emissionen, Wärmegestehungskosten und auf den Einfluss von verschiedenem Benutzerverhalten getestet.

Zusätzlich wurde eine sozialwissenschaftliche Untersuchung mittels Befragung und Literatur-Sekundäranlayse bezüglich Anforderungen zur Akzeptanz von Heizungs- und Wärmeabgabesystemen durchgeführt.

Beabsichtigte Ziele

Entwicklung einer umfassenden Bewertungsmethode und die Bewertung von Heizungssystemen für Gebäude gedämmt nach Passivhauskriterien.

Methode der Bearbeitung

Datenerhebung durch Befragung, Messung und Literaturrecherche, Auswertung mit statistischen Methoden, Aufstellen und Berechnen von Simulation mittels TRNSYS,

Welche Daten wurden verwendet

Vorangegangene Projekte im Rahmen "Haus der Zukunft", EU und andere sowie eigene Erhebungen

Teil B, Ergebnisse, Schlussfolgerungen

Simulation von Gebäuden gedämmt nach Passivhauskriterien

Zwischen Messung und Simulation kann bei hohem Detaillierungsgrad der Eingabe- und Messdaten eine hohe Übereinstimmung im Raumlufttemperaturverlauf erzielt werden. Bereits kleine Schwankungen sensitiver Parameter können das Ergebnis, aufgrund des geringen Heizenergiebedarfs des Gebäudes, entscheidend beeinflussen. Ein Abgleichen des Simulationsmodells mit dem tatsächlichen Baubestand ist unerlässlich. Allein eine Erhöhung der Raumtemperatur von z.B. 20°C auf 25°C steigert, bei sonst gleich bleibendem Verhalten, den Heizenergiebedarf um über 50 %. Für einen genauen Vergleich reicht es nicht aus, das Nutzungsverhalten aus Normangaben zu beziehen. Selbst durch Befragungen erstellte Nutzungsprofile weisen (insb. beim Lüftungsverhalten) größere Unsicherheiten auf.

Qualitative Bewertung von Heizungssystemen für Gebäude gedämmt nach Passivhauskriterien

Nach Passivhauskriterien gedämmte Gebäude stellen andere Anforderungen an das Heizungssystem als herkömmliche Gebäude. Als Wärmeabgabesysteme eignen sich reine Luftheizungen (sofern die spezifische Heizlast durch Transmission und Infiltration nicht 14 W/m² überschreitet) sowie alle gängigen Warmwasser-Wärmeabgabesysteme (Radiator-, Fußboden- und Wandheizung). Die Innenoberflächentemperatur der Außenbauteile bei solch hoch wärmegedämmten Gebäuden liegen immer nahe der Raumtemperatur, was generell ein gutes Raumklima gewährleistet. Neun verschiedene Heizungssysteme wurden mit Vor- und Nachteilen beschrieben. Primäres Ergebnis der Benutzerbefragung ist, dass den Bewohnern die Art der Heizung nicht so wichtig ist, vorausgesetzt die Anlage ist einfach bedienbar, wenig fehleranfällig und arbeitet möglichst wartungsfrei. Akzeptanzprobleme konnten immer wieder auf nicht optimal geplante und errichtete Heizanlagen (Dimensionierung, Regelung, Geräuschentwicklung etc.) zurückgeführt werden - relativ unabhängig vom Typus des Heizsystems.

Quantitative Bewertung von Referenzanlagen durch Simulation

Als Ergebnis der Befragungen wurde die Soll-Raumlufttemperatur mit 22,5°C angesetzt. Bis auf das System zentrale Sole/Wasser-Wärmepumpe wurden zudem alle Systeme mit und ohne Einbeziehung einer thermischen Solaranlage betrachtet. Den geringsten Energiebedarf der vier analysierten Systeme hat das dezentrale System Luft/Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Solaranlage, gefolgt vom zentralen Sole-Wasser-Wärmepumpensystem und etwa gleichwertig dem dezentralen Luft/Luft/Wasser-Wärmepumpensystem ohne Solaranlage. Die geringsten CO2 äquivalent Emissionen hat hingegen das zentrale Pelletssystem. Die geringsten Wärmegestehungskosten hat das zentrale Gassystem ohne Solaranlage, die höchsten das System Luft/Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Solaranlage. Allerdings wird hier auch eine kontrollierte Lüftungsanlage mitgeliefert. Von großer Bedeutung für den gesamten Primärenergiebedarf ist der Haushaltsstrom, der nur wenig mit dem Heizungssystem zu tun hat. Daher wurde er auch in den neuesten Passivhauskriterien in Deutschland aus der Betrachtung herausgenommen. Für "normales" Benutzerverhalten können alle Systeme die gewünschte Raumlufttemperatur und Raumluftfeuchte über die gesamte Heizperiode halten. Bei extremen Benutzerverhalten (hohe Heizlast durch hohe Raumtemperatur und geringe Innenwärmen) und nach Auskühlvorgängen wird jedoch die limitierte Heizlast des dezentralen Luft/Luft/Wasser-Wärmepumpensystems ersichtlich. Bei einer Wiederaufheizung reagiert die Fußbodenheizung naturgemäß träger als eine Radiatorheizung, allerdings ist auch die Auskühlung geringer. Zwischen den beiden Referenzgebäuden konnten keine großen Unterschiede in den betrachteten Kriterien festgestellt werden.

Generelle Aussagen

Generell kann nicht gesagt werden, dass dieses oder jenes Heizungssystem das beste darstellt - jeder Typus hat ein spezifisches Stärke-Schwächenprofil, dessen Gesamtbewertung letztlich von Art und Umfeld des Gebäudes und den jeweiligen Nutzerpräferenzen abhängt. Daher werden vor allem die Vor- und Nachteile der einzelnen Systeme dargestellt und können somit selbst bewertet werden.

Kontakt

Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Wolfgang Streicher
Institut für Wärmetechnik, Technische Universität Graz
Inffeldgasse 25
A 8010 Graz
Tel.: +43 316 873-7306
Fax: +43 316 873-7305
E-Mail: w.streicher@tugraz.at