Die Wärmeversorgung aus Solarstrom ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die damit verbundenen Herausforderungen lassen sich nicht schönreden. Denn die Speicherung der elektrischen Energie ist dafür de facto unumgänglich, die Integration von Kleinwindkraft eine willkommene Ergänzung. Um das Anforderungsprofil genauer zu bestimmen, muss man die Heizlast ermitteln. Daraus lässt sich das Lastprofil für ein Wohngebäude erstellen. Basis ist die Heizlastberechnung nach DIN EN 12831.
Die Heizlast gibt Auskunft, welche Wärmeleistung für ein Gebäude oder für einen umbauten Raum notwendig ist. Das Ziel ist es, auch bei niedrigen Außentemperaturen in den beheizten Räumen zwischen 20 und 24 Grad Celsius zu erreichen. Ausgelegt wird die Heiztechnik nach regional bestimmten Auslegungsfällen von minus 14 Grad Celsius, minus 16 Grad Celsius oder minus 18 Grad Celsius.
Natürlich richtet sich die Heizlast nach der Größe des Gebäudes, also dem Volumen der Räume, die temperiert werden sollen. Relevant sind die Umschließungsflächen der thermischen Hülle. Durch die Baustoffe der Hülle kann Wärme nach außen entweichen, also spielt die thermodynamische Qualität von Bodenplatte, Kellerdecke, Dach und Fassaden eine wesentliche Rolle für die Heizlast. Außerdem muss die Atemluft im Gebäude regelmäßig erneuert werden, wobei auch Wärme entweichen kann. Demnach besteht die Heizlast aus zwei Faktoren:
- Wärmeverlust durch die Transmission in den Bauteilen der thermischen Hülle,
- Wärmeverluste durch Lüftung, Undichtigkeiten und Infiltration.
Seit Einführung der Energieeinsparverordnung vor gut 15 Jahren verbesserte sich die energetische Qualität der thermischen Hülle stetig. Unmittelbar vorher waren für ein Einfamilienhaus mit einer zu beheizenden Wohnfläche von 160 Quadratmetern zehn Kilowatt Heizlast (Niedrigenergiestandard) notwendig. Heute sind es nur noch rund fünf Kilowatt.
Dies liegt an der drastischen Verringerung der Transmissionsverluste durch bessere Dämmung und weniger Wärmebrücken, durch isolierende Fenster und andere Verglasungen. Auch die bessere Luftdichtigkeit von Gebäuden spielt eine Rolle. Moderne Gebäude sind so dicht gebaut, dass sie ein Lüftungskonzept verlangen, um den baulichen Feuchteschutz sicherzustellen. Lüftungsgeräte mit Wärmerückgewinnung reduzieren die Heizlast durch interne Gewinne, da die Wärme nicht mehr weggelüftet wird, sondern innerhalb der thermischen Hülle bleibt.
Summe aller Raumheizlasten
Bei der Heizlastberechnung wird für jeden zu beheizenden Raum festgelegt, auf welche Temperatur er zu temperieren ist. Für Wohn- und Aufenthaltsbereiche gelten 20 Grad Celsius, für Badezimmer, Duschbäder und andere Hygieneräume 24 Grad Celsius. Für Kellerräume und dergleichen kann man 18 Grad Celsius ansetzen. Die Heizanlage muss also die Differenz zur Außentemperatur überwinden und die Wärmeverluste ausgleichen. Die Summe der einzelnen Raumheizlasten ergibt die Heizlast des Gebäudes. Diese Methode ermöglicht es, die Wärmebereiche im Gebäude in Zonen zu unterteilen. Das kann für die Regelung der Heizung und der Lüftung relevant sein.
Bei der Heizlast handelt es sich nicht um einen statischen Wert, sondern um eine sehr dynamische Größe. Folgende Differenzierung wurde vom Forum Wohnenergie in den letzten Jahren entwickelt und in der Praxis durch multivalente Bereitstellungssysteme aus erneuerbaren Energien entwickelt:
- gemäßigte Heizperiode: Minimallast während der Übergangszeiten (Unterschreiten der Heizgrenztemperatur),
- mittlere Heizperiode: durchschnittliche mittlere Heizlast (30 bis 70 Prozent der Gesamtheizlast),
- absolute Heizperiode: Spitzenlast für den Auslegungsfall (100 Prozent der Gesamtheizlast).
Dieser Differenzierung werden genaue Temperaturbereiche zugeordnet, die abhängig sind von der energetischen Qualität der thermischen Hülle und der Wärmespeicherkapazität des Gebäudes. Letztere wird leider noch immer sehr unterschätzt.
Die Heizgrenztemperatur gibt an, ab welcher Außentemperatur überhaupt ein Wärmebedarf oder eine Heizlast entsteht. Bei Bestandsgebäuden kann diese Grenztemperatur schon bei 18 Grad Celsius liegen. Bei einem Passivhaus liegt dieser Wert vielleicht erst bei sechs Grad Celsius Außentemperatur. Betrachtet man eine Gebäude nach dieser Methode, kann man die Heizlast reduzieren und genau anpassen. Als Beispiel sei ein Einfamilienhaus genannt, dessen Heizlast im Auslegungsfall sechs Kilowatt beträgt:
- gemäßigte Heizperiode: zwei Kilowatt (30 Prozent),
- mittlere Heizperiode: vier Kilowatt (60 Prozent),
- absolute Heizperiode: sechs Kilowatt (100 Prozent).
Die Heizperiode differenzieren
Nimmt man die errechnete Heizlast als Orientierung, gerät die Photovoltaik im Winter sehr schnell an ihre Grenzen, auch wenn die Solaranlage deutlich größere Nennleistungen aufweist. Geht man aber vom tatsächlichen Wärmebedarf aus, dann tritt der Auslegungsfall meistens nur an wenigen Tagen oder Wochen einer Heizperiode ein. In der übrigen Zeit kommt die Heizanlage mit deutlich geringeren Leistungen aus. In der gemäßigten Heizperiode geht es etwa um ein Drittel der Gesamtheizlast. Das lässt sich bereits mit einer guten Kleinstwärmepumpe realisieren, die bei einer Leistungszahl von 3,0 lediglich 700 Watt elektrische Leistung benötigt – freilich Tag und Nacht.
Wendet man sich der mittleren Heizperiode zu, ergibt sich für die Wärmepumpe eine elektrische Leistungsaufnahme von knapp 1,5 Kilowatt. Wenn es im tiefen Winter tatsächlich eisig wird, gerät die Photovoltaik in Schwierigkeiten. Denn zwei Kilowatt elektrische Leistungsaufnahme für sechs Kilowatt Heizleistung der Wärmepumpe aufzubringen, ist vergleichsweise schwerer. Besonders wenn die Sonne ausbleibt und somit auch die passiven Solargewinne durch die Fenster nicht ins Gewicht fallen.
Ein elektrischer Wärmeerzeuger ist die Wärmepumpe, auf die wir bereits im Beitrag über Warmwasser (photovoltaik 08/2013) eingegangen sind. Entscheidend ist die Arbeitszahl der Wärmepumpe. Sie gibt an, wie viel Heizwärme aus einem Kilowatt Antriebsstrom für den Verdichter bezogen werden kann. Das sie thermische Ressourcen der Umgebungsluft, des Erdreichs oder des Grundwassers nutzt, ist die erzeugte Heizwärme in der Regel um mindestens das Dreifache höher als die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters.
Intelligent kombinieren
Außenluft als Wärmequelle liefert nur suboptimale Wärmeerträge, weil die Luft nicht so viel Wärme speichert wie beispielsweise das Erdreich. Um eine wirklich effiziente Heizung zu planen, sollte man Erdwärmepumpen einsetzen, die hohe Entzugsleistungen ermöglichen. Denkbar ist auch, den Pufferspeicher der Wärmepumpenanlage durch Photovoltaik zu unterstützen.
Man könnte den Solarstrom über einen Elektroheizstab in den Speicher einbringen. Bei Warmwasserspeichern macht diese Lösung durchaus Sinn. Bei der Heizung ist die Speisung der Wärmepumpe mit Sonnenstrom – solange es die Einstrahlungsverhältnisse zulassen – die bessere Wahl. Erst wenn die Solaranlage auf dem Dach nicht mehr ausreichend Strom anbietet, wird Strom aus dem Netz zugekauft. Oder das kleine Windrad übernimmt den Antrieb des Wärmepumpenverdichters. Auch die Kombination mit einem Kamin oder einem Holzofen für besonders kalte Tage kann eine Lösung sein.
Im nächsten Heft: Teil 6
Die Serie zum Eigenverbrauch
Teil 1: Elektrischer Strom im Wohnhaus: Juni 2013
Teil 2: Elektrischer Strom im Nichtwohngebäude: Juli 2013
Teil 3: Warmwasser durch Sonnenstrom: August 2013
Teil 4: Photovoltaik in der Lüftungstechnik: September 2013
Teil 5: Photovoltaik in der Wärmeversorgung: Oktober 2013
Teil 6: Photovoltaik in der Kühltechnik: November 2013
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Der autor
Frank Hartmann
ist Gas-Wasser-Installateur und Heizungs- und Lüftungsbauer, Elektroinstallateur und Energietechniker. Nach langjähriger Erfahrung im Handwerk mit dem Schwerpunkt auf erneuerbaren Energien gründete er das Forum Wohnenergie für energieeffizientes Bauen und Modernisieren. Frank Hartmann ist Mitbegründer der Solarteur-Schule in Nürnberg.
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