Gebaudewarmebedarf

Der Heizwarmebedarf von Gebauden umfasst etwa 30 % des gesamten Primarenergiebedarfs in Deutschland. Damit stellt er nach wie vor eine der mabgeblichen Groben beim Energiever – brauch von Gebauden dar. Im Folgenden werden daher auf Basis der relevanten Normen DIN V 4701-10 [2-12] sowie DIN V 18599 [2-13] die grundlegenden Zusammenhange zur Ermitt – lung des Heizwarmebedarfes dargestellt. Die Rechenwege sind ebenfalls Grundlage der Ener – gieeinsparverordnung EnEV 2007 [2-15]. Die vorliegende kompakte Darstellung hat nicht den Anspruch die Ermittlung der Energiebedarfe vollstandig wiederzugeben. Vielmehr soll sie zur Einfuhrung in die jeweiligen Groben sowie zum besseren Verstandnis der energetischen Zu­sammenhange in Gebauden fuhren.

Der Primarenergiebedarf zur Beheizung eines Gebaudes QP ergibt sich aus der Energiebilanz um das gesamte Gebaude einschlieblich der Erzeugung sowie der Verteilwege. Darin sind der Heizwarmebedarf QH nach DIN 4701-10, der Bedarf an Trinkwarmwasser QW, technische Verluste bei Warmeerzeugung, Warmespeicherung, Warmeverteilung und Warmeubergabe Qt sowie die Nutzung von regenerativen Energien Qr enthalten. Weiterhin wird die zur Bereitstel­lung erforderliche elektrische Hilfsenergie QHE berucksichtigt. Der jeweils relevante Primar- energieaufwand fur die eingesetzten Energietrager wird durch die Primarenergiefaktoren JPq und_/He erfasst.

QP = (QH + QW + Qt – Qr) ■ fPQ + QHE ■ fHE = QE ■ + QHE ‘ fHE (2-23)

Fur typische Brennstoffe wie Heizol und Erdgas betragt der Primarenergiefaktor 1,1. Bei Nut­zung z. B. des nationalen Strommixes ist als Primarenergiefaktor der Wert 3,0 einzusetzen. Der Summand (QH + QW + Qt – Qr) beschreibt die dem Gebaude fur die Warmeversorgung zur Verfugung gestellte Endenergie QE. Zu den regenerativen Energien zahlen die aus Energieer – zeugungsanlagen unter Nutzung von z. B. Solarkollektoranlagen, Geothermie, Biomasse – Heizkraftwerken oder auch Wind – und Wasserkraft sowie Photovoltaik bereitgestellten Ener – gieanteile. Mit der Definition der Gesamtanlagenaufwandszahl ep kann der Primarenergiebe­darf auch geschrieben werden als:

QP = (QH + QW + QWR) ■ eP (2-24)

Dabei wird nach DIN V 4701-10 die Warmeruckgewinnung QWR zum Jahresheizwarmebedarf sowie dem Bedarf an Trinkwarmwasser addiert und mit der Anlagenaufwandszahl ep bewertet. Durch Gleichsetzen der Gleichungen (2-23) und (2-24) ergibt sich die Formulierung der Ge – samtanlagenaufwandszahl ep. Sie wird nach DIN 4701-10 ermittelt und beschreibt das Ver – haltnis der von der Anlagentechnik aufgenommenen Primarenergie in Relation zu der von ihr abgegebenen Nutzwarme. In Form von Tabellen und Nomogrammen dargestellte Anlagenauf – wandszahlen sind in DIN V 4701-10 fur beispielhafte Anlagenkonfigurationen wiedergegeben.

Zur Bestimmung des Jahresheizwarmebedarfes Qh sind die Verlustwarmestrome durch Transmission uber die Gebaudehulle Qt sowie durch Luftung Qv zu bestimmen. Diese abkuh – lenden Verlustwarmestrome werden nach DIN V 18599 als Warmesenken Qsink bezeichnet. Die solaren Gewinne Qs wie auch die internen Gewinne Qi (entsprechend DIN V 18599 als Warmequellen Qsource bezeichnet) reduzieren den Jahresheizwarmebedarf in Abhangigkeit der Speicherfahigkeit des Gebaudes. Diese Verminderung wird durch den Nutzungsgrad n ausge – druckt.

Qh = Qt + Qv – 7 ‘ (Qs + Qi) (2-25)

Durch den Transmissionswarmeverlust Qt werden die Warmestrome sowohl durch die opaken wie auch durch die transparenten Bauteilflachen erfasst. Die gebaudespezifischen Grofien sind durch die jeweiligen Warmedurchgangskoeffizienten U und die Bauteilflachen A; gegeben. Die Temperaturdifferenzen zwischen innen Qx und auben 0e sind vom jeweiligen Standort so­wie vom Wetter bzw. Klima abhangig. Durch die Zeitdifferenz At wird der Zeitraum spezifi – ziert, fur den die Energieverluste ermittelt werden sollen.

Qt = 2i {Ui-Aj-ft – 0e)‘ At (2-26)

Dabei sind zusatzlich noch die Transmissionsverluste durch Warmebrucken zu bestimmen. Mit einer separaten Betrachtung sind die Verluste durch die Bodengrundflache sowie durch Bautei – le mit integrierten Flachenheizungen aufgrund spezifischer Besonderheiten zu ermitteln, ob – wohl sie auch zu den opaken Bauteilflachen zu zahlen sind.

Mit zunehmendem Dammstandard der Bauteilflachen sind die Transmissionswarmeverluste teilweise so stark zuruckgegangen, dass sie vom Betrag mit den Luftungswarme – bzw. Ventila – tionsverlusten Qv vergleichbar sind. Der Warmeverluststrom durch Luftung wird bestimmt durch die Luftwechselrate n, welche die Anzahl der Luftaustausche in einem Gebaude mit dem beheizten Luftvolumen V durch freie oder maschinelle Luftung und durch den Infiltrations – Luftwechsel nx durch Gebaudeundichtigkeiten pro Stunde angibt. Zum Schutz der Gesundheit und zur Vermeidung von Tauwasserschaden muss immer ein Mindestluftwechsel vorhanden sein. Die Verluste hangen ebenfalls von den Temperatur-Randbedingungen im Inneren und im Freien sowie vom Verlustzeitraum At ab.

Qv = n ■ V ■ Pl ■ cpL'(^i – 6e)’ At (2-27)

Fur das Produkt aus Dichte und spezifischer Warmekapazitat der Luft p ■ cPL kann ein Wert von 0,34 Wh/(m3 K) angenommen werden. Der Luftwechsel nA einer maschinellen Luftung wird durch den Volumenstrom V der Luftungsanlage bestimmt zu nA = V/V. Wird mit dem Warmeruckgewinnungsgrad цv der Abluft der maschinellen Luftung Warme entzogen und der Zuluft zugefuhrt, dann vermindert sich bei einem gegebenen Infiltrations-Luftwechsel nx der
energetisch wirksame Luftwechsel auf n = nA – (1 – тщ) + nx. Der Warmeruckgewinn QWR in der Zeitspanne At und damit die Verminderung des Luftungswarmeverlusts betragt dabei:

QWR = nA • WPL • cpL • V • (^i – tfe)’ At (2-28)

Der Warmebedarf QW fur die Warmwassererzeugung wird durch das im Berechnungszeitraum At verbrauchte Warmwasservolumen Vw und dem Temperaturunterschied zwischen der Warmwassertemperatur 6W und der Wassereintritts-Temperatur 60 in das Warmwassersystem bestimmt:

QW = cW • PW • VW • (% – ад (2-29)

Fur die Warmwasserbereitung wird als volumenspezifische Warmekapazitat angesetzt: cW • pW = 1,161 kWh/(m3 K). Im Wohnbereich liegt der mittlere Warmwasserverbrauch bei hoheren Anspruchen im Bereich von 20 bis 40 Liter Warmwasser pro Person und Tag. Bei einer Wassereintrittstemperatur von в0 = 10 °C und einer Warmwassertemperatur von 6W = 50 °C fuhrt dies auf einen taglichen Warmwasser-Warmebedarf von QW P = 0,93 bis 1,86 kWh/(Person • d). Der Ansatz in der EnEV 2002 fur den flachenbezogenen jahrlichen Warm­wasser-Warmebedarf qWa folgt unter der Annahme einer mittleren Wohnflache von 34 m2 bzw. der 1,2-fach groberen Nutzflache AN pro Person von 40 m2/Person in Deutschland und der Bereitstellungsdauer fur Trinkwarmwasser At = 350 d/a:

qWa = 1,4 kWh/(Pers. d) / (40 m2/Pers.) • 350 d/a = 12,3 kWh/(m2 a)

In der EnEV 2007 und der DIN V 4701-10 wird mit dem Pauschalwert von 12,5 kWh/(m2 a) fur den flachenbezogenen jahrlichen Warmebedarf zur Warmwasserbereitung gerechnet.

Die technischen Verluste Qt, die sich aus den Verlusten bei der Warmeerzeugung Qg, der Warmespeicherung Qs, der Warmeverteilung Qd und der Warmeubergabe Qce zusammenset- zen, werden mittels der Aufwandszahlen eP bestimmt.

Die internen Warmegewinne QI durch Warmequellen in den Raumen des beheizten Gebaude – volumens hangen von der Nutzung sowie von der Personenbelegung, der jeweiligen techni­schen Ausstattung und vom Betrieb vorhandener Anlagen ab. Sie berechnen sich in der Zeit­spanne At zu:

QI = qi, m • AB • At:. (2-30)

AB ist dabei die Bezugsflache, auf welche die mittlere Warmeleistung qgm der inneren War – mequellen bezogen ist. Fur wohnahnliche Nutzungen wird der Wert qi, m mit 5 W/m2 angege – ben. In Burogebauden liegen wahrend der Nutzungsstunden haufig deutlich hohere Werte von 15 W/m2 und mehr vor. Fur eine Abschatzung der Grobenordnung sind die jeweiligen Lasten zu analysieren.

Der solare Warmegewinn QS der beheizten Gebaudebereiche setzt sich zusammen aus dem solaren Warmegewinn durch transparente Bauteile QS, t, dem solaren Warmegewinn uber un – beheizte Glasvorbauten QS s, dem solaren Warmegewinn opaker Bauteile QS, op und dem sola – ren Warmegewinn opaker Bauteile mit transparenter Warmedammung QS, TWD. Die Sonnen – einstrahlung durch transparente Bauteile ist i. Allg. die dominierende Grobe und wird bestimmt uber die mittlere Strahlungsintensitat 7s, j aus der Himmelsrichtung j wie Fenster und Vergla – sungen sowie die effektive Fensterflache AS, ji im Zeitintervall At:

Подпись:Подпись: (2-31)Qs = j(^( i^ ji).

Als solare Gewinne konnen nur die Strahlungsanteile wahrend der Heizperiode gewertet wer – den. In der EnEV werden fur Fassadenfensterflachen folgende Werte vorgegeben: 270 kWh/(m2 a) fur eine Orientierung zwischen Sudosten und Sudwesten, 100 kWh/(m2 a) fur eine Orientierung zwischen Nordwesten und Nordosten sowie 155 kWh/(m2 a) fur alle anderen Orientierungen. Bei Dachflachenfenstern mit einer Neigung von weniger als 30° betragt der Wert 225 kWh/(m2 a). Mit den in Kapitel 2.1 angegebenen Gleichungen zur Ermittlung der Sonnenposition wie auch der Einstrahlung konnen bei Bedarf konkrete Einstrahlungsbedin – gungen berechnet werden.

Die effektive Flache des transparenten Bauteils i in Gleichung (2-31) ist ^s, j;, die jeweils mit dem Gesamtenergiedurchlassgrad des Glases bewertet wird. Sie ist gegenuber der Bruttoflache A der strahlungsaufnehmenden Oberflache, also z. B. der Fensterflache einschlieblich Rahmen im lichten Rohbaumab, um den Abminderungsfaktor fur die Verschattung, den Abminderungs – faktor fur permanente Sonnenschutzeinrichtungen wie Jalousien, den Abminderungsfaktor fur den Rahmenanteil sowie den Abminderungsfaktor infolge des im Mittel nicht senkrechten Solarstrahlungseinfalls auf ein reales Fenster reduziert. Fur die Abminderungsfaktoren wird nach der EnEV 2007 [2-15] pauschal ein Gesamtwert von 0,567 eingesetzt.

In den Gleichungen zur Bestimmung der Transmissionsverluste, der Luftungsverluste sowie des Warmeruckgewinns (2-26) bis (2-28) ist jeweils der Term (0; – 0e) • At enthalten, durch den die klimatischen Bedingungen sowie die Anzahl der Heiztage beschrieben werden. Ein Heiztag ist dadurch definiert, dass die mittlere Aubentemperatur dm weniger als 15 °C betragt. Die Gradtagszahl wird in diesem Fall durch die Differenz des Tagesmittels der Aubentempera – tur zu 20 °C ermittelt. Zur Bestimmung von jahrlichen Energiebedarfen sind daher die Tempe- raturdifferenzen uber alle Heiztage z aufzusummieren. Aufgrund der besonderen Bedeutung dieser Summe werden die Daten zu regionalspezifischen monatlichen und jahrlichen Gradtags – zahlen Gz zusammengefasst:

Gz = І (2O-0m>n) (2-32)

n=1

Die EnEV 2007 [2-15] gibt fur die zu verwendenden Gradtagszahlen bei neu zu errichtenden Gebauden einen mittleren Wert von 2750 Kd/a vor. Sofern es sich um bestehende Gebaude handelt, ist je nach Baustandard ein Wert von 3125 oder 3417 Kd/a anzusetzen. In der EnEV sind die Werte als Gradtagszahlfaktoren in der Dimension kKh/a angegeben und daher mit dem Wert 0,024 kh/d multipliziert worden, so dass die Werte dort in Tabelle 2 von Anlage 3 mit 66, 75 und 82 kKh/a zu finden sind. Soll anstelle der Energiebedarfsermittlung fur ein mittleres Klima der konkrete Verbrauch eines Jahres berechnet werden, so sind die real gemessenen Gradtagszahlen zu verwenden. Fur Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes konnen mit langjahrig erfassten und kontinuierlich veroffentlichten Temperaturmessungen [2-16] die Grad­tagszahlen ermittelt werden. Bereits zu monatlichen Werten zusammengefasste Gradtagszahlen wie auch Heizgradtage nach VDI 3807-1 [2-18] werden in [2-17] bereit gestellt.

Gegenuber der bisherigen Norm DIN V 4701-10 wurden bei der Entwicklung der DIN V 18599 verschiedene Veranderungen vorgenommen. Ein zentraler Unterschied ist die Betrach – tung des Gebaudes in Zonen, wahrend bisher das Gebaude als Ganzes betrachtet wurde. Ein weiterer Unterschied ist, dass die Berechnung mit Hilfe der Gebaudenutzflache AN entfallt. Das neue Bezugsmab bildet die Nettogrundflache (NGF). In der Konsequenz entfallen die bisherigen flachenbezogenen Anlagenaufwandszahlen sowie die Gesamtanlagenaufwandszahl ep. Der Energieaufwand der einzelnen Stufen wird vielmehr durchgangig mit Hilfe von Wir – kungsgradangaben berechnet.

Dem Berechnungsverfahren liegt zukunftig der obere Heizwert Ho zu Grunde. Dies ist zu be – gruben, da damit die Heizwertumrechnung insbesondere beim Vergleich von Ol und Gas ent – fallt. Die Berechnung der Primarenergiefaktoren basiert nach wie vor auf dem Heizwert Hu. Fur kombinierte Anlagen – hierzu zahlen insbesondere Solaranlagen und Blockheizkraftwerke – finden sich in der DIN V 18599-9 festgelegte Rechengange. Bisher wurden die Anteilsfakto – ren an der jahrlichen Heizarbeit durch separate Rechengange nach anerkannten Regeln der Technik ermittelt.

Zur Bewertung der energetischen Qualitat von bestehenden Gebauden kann zur Beurteilung des Energieverbrauchs eines Gebaudes auch der auf die Flache bezogene Energieverbrauchs – kennwert herangezogen werden. Neben der dargestellten rechnerischen Ermittlung der Ener – gieverbrauche kann durch den Vergleich gemessener Verbrauche verschiedener Gebaude mit ahnlicher Nutzung ein Potenzial fur weitere Energieeinsparungen abgeschatzt werden. Sofern sich die Kennwerte auf vergleichbare bauliche Qualitaten beziehen und eine Klimabereinigung vorgenommen wurde, konnen ggf. auch Ruckschlusse auf Optimierungspotenziale hinsichtlich der Steuerung und Regelung der versorgungstechnischen Anlagen gezogen werden.

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kWh/m2 HNF

Bild 2-13 Verteilung von Heizenergieverbrauchskennwerten fur Hotels nach VDI 3807-2

Die in Bild 2-13 dargestellte Haufigkeitsverteilung bezieht sich auf gemessene Verbrauchs – kennwerte von Hotels entsprechend der VDI-Richtlinie 3807-2 [2-18]. Die Kennwerte sind hierbei auf die Hauptnutzflachen (HNF) der Gebaude bezogen. Gerade bei Hotels ist das Po­tenzial fur regelungstechnische Optimierungen aufgrund nutzungsspezifischer Besonderheiten vergleichsweise grob.

Updated: August 1, 2015 — 1:51 am