Die Energiewende und der Klimaschutz sind die großen Herausforderungen unserer Zeit. Im Gebäudebereich kommt der Heizungsbranche zur Minderung der CO!SUB(2)SUB!-Emissionen und zur Energieeinsparung eine Schlüsselrolle zu. Allerdings werden beide Einflüsse im Altbaubestand durch einen hohen Modernisierungsstau geprägt. Um dem zu begegnen, hat sich die Bundesregierung das ambitionierte Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 einen nahezu klimaneutralen Gebäudebestand zu erreichen.
Dazu ist es zwingend notwendig, den Energiebedarf in Gebäuden für Wärme und Kälte durch Effizienzmaßnahmen deutlich zu reduzieren und den Anteil erneuerbarer Energien erheblich zu steigern. Der Nationale Aktionsplan Energieeffizienz (NAPE) und damit die Energieeffizienzstrategie Gebäude (ESG) weisen für die Energiewende in die richtige Richtung [1].
Um den größten Energieverbrauch in Europa, den Wärmeverbrauch in Gebäuden, zu senken, wurden umfangreiche Verordnungen, Gesetze und Förderprogramme erlassen. Damit dieses Ziel für den Gebäudesektor erreichbar wird, gibt es die EU-Gebäuderichtlinie EPBD (EPBD = Energy Performance of Buildings Directive) mit ihrer deutschen Ausführung – dem EnEG (Energieeinsparungsgesetz) und der EnEV (Energieeinsparverordnung). Aktuell ist die EnEV 2014 mit der dort festgeschriebenen Verschärfung der Anforderungen ab 1. Januar 2016 in Kraft [2]. Zur Steigerung des Einsatzes erneuerbarer Energien ist die europäische "Renewable energy directive" in Kraft, mit der ein 20-prozentiger Anteil an erneuerbarer Energien im Wärme- und Kältemarkt bis 2020 erreicht werden soll.
Mit der Fortschreibung der Energieeinsparverordnung (EnEV) steigen die energetischen Anforderungen an Wohn- und Nichtwohngebäude stetig an. Die EnEV definiert den jährlich zulässigen Höchstwert des Primärenergiebedarfs [kWh/m2·a] eines Gebäudes, der einmal von der Gebäudehülle und zum Zweiten von der Energieumsetzung in der Anlagentechnik abhängt (Heizung, Warmwasser, Kühlung, Lüftung und elektrische Hilfsenergie). Mit diesen beiden Stellschrauben wird der Jahres-Primärenergiebedarf des Gebäudes berechnet.
Der dazugehörige Energieausweis enthält alle wichtigen Informationen, die den energetischen Zustand des gesamten Gebäudes repräsentieren – also den Wärmeverlust durch die Hülle, Transmission und Lüftung, sowie die Qualität der Anlagentechnik.
Für neu zu errichtende Gebäude schreibt die EnEV den maximal zulässigen "Jährlichen Primärenergiebedarf" vor. Das ist die Energiemenge, die sich aus dem notwendigen Endenergiebedarf (Brennstoff, Strom) und der Hilfsenergie für die Anlagentechnik ergibt, einschließlich der Energiemengen, die durch die außerhalb des Gebäudes vorgelagerte Prozesskette bei der Gewinnung, Umwandlung und Verteilung des jeweiligen Energieträgers entstehen. Der eingesetzte Energieträger wird je nach seiner Umweltwirksamkeit mit dem Primärenergiefaktor f!SUB(P)SUB! bewertet: Heizöl und Erdgas gehen mit dem Faktor f!SUB(P)SUB! = 1,1 in die Berechnung ein. Für elektrischen Strom liegt der Faktor aktuell (EnEV 2014) bei f!SUB(P)SUB! = 1,8. Gemäß EnEV ist beim ausschließlichen Einsatz von Umwelt-/Umgebungswärme der Primärenergiefaktor = 0. Aus dem stetig sinkenden Primärenergiefaktor geht also auch hervor, dass Wärme- und Strommarkt immer stärker miteinander verschmelzen
Gesunde Raumluftqualität ein Muss
Die zuletzt ratifizierte EnEV 2014 führt sowohl im Neubau als auch in der Sanierung zu immer luftdichteren Bauweisen von Wohngebäuden. Dadurch steigt der Anteil des Lüftungswärmeverlustes am Gesamtwärmebedarf stetig an und liegt bei Wohngebäuden inzwischen in der Größenordnung des Transmissionswärmebedarfs.
Eine "freie Lüftung" über undichte Fensteranschlüsse oder ähnliches oder auch das übliche Fensterlüften machen die Bemühungen des baulichen Wärmeschutzes weitgehend zunichte. Moderne Gebäude erhalten zwar eine möglichst luftdichte Ausführung, doch ohne einen ausreichenden Luftwechsel können durch zu hohe Luftfeuchtigkeit und in der Folge Kondensatbildung Bauschäden in den Gebäuden oder Schimmelbildung auftreten. Darüber hinaus steigt bei mangelnder Lüftung die Kohlendioxidkonzentration in der Raumluft kontinuierlich an. Das führt bei den Bewohnern zu einer Beeinträchtigung der Gesundheit, ihres Wohlbefindens und ihres Leistungsvermögens. Des Weiteren wird durch Ausdünstungen aus Baumaterialien oder Einrichtungsgegenständen mit organischen Substanzen, wie beispielsweise Formaldehyd, die Raumluft belastet. Um sowohl die Raumluftqualität einzuhalten als auch den Abtransport von Feuchtigkeit sicherzustellen, ist ein definierter Luftaustausch der Raumluft gegen Außenluft notwendig. Die DIN 1946, Teil 6, schreibt deshalb vor, die Notwendigkeit lüftungstechnischer Maßnahmen zu prüfen [3].
Um die herausfordernden Aufgaben, sowohl hinsichtlich des europäischen Energierechts als auch des nationalen Baurechts, praxisgerecht und wirtschaftlich zu lösen, hat Stiebel Eltron verschiedene wärme- bzw. lüftungstechnische Lösungen entwickelt. Insbesondere für den Neubau eignen sich dabei die Integralsysteme der Baureihe "LWZ", die alle haustechnischen Funktionen in einem Gerät vereinigen: Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG), Heizung und Warmwasserbereitung in Kombination mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Die Haustechnikzentrale "LWZ 504" positioniert sich innerhalb der Produktreihe dabei an erster Stelle, denn sie kann zusätzlich zu den genannten Funktionen auch die Kühlung des Gebäudes übernehmen. Das Gerät sorgt also immer für ein gesundes Wohnklima bei gleichzeitigem Schutz vor Schimmelbildung. Es eignet sich auch für Neubauten, die den Niedrigenergiestandard anstreben. Die Anforderungen der aktuellen EnEV 2014 werden erfüllt und tragen darüber hinaus als ein entscheidender Baustein zur Zertifizierung des Gebäudes als Passivhaus bei.
Aufbau und Funktion der Haustechnikzentralen
Das Kompaktgerät mit der zentralen Be- und Entlüftung dient der Beheizung, der zentralen Trinkwassererwärmung und zur Kühlung von Wohnungen und Einfamilienhäusern.
Außenluft wird von außen angesaugt und strömt zunächst in den Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager der Haustechnikzentrale. Die aus den geruchs- bzw. feuchtebelasteten Räumen, wie beispielsweise der Küche, dem Bad und WC, abgesaugte Abluft strömt von der anderen Seite in den Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager und heizt so die zuströmende Außenluft vor. Bevor die Abluft nach außen abgeleitet und entsorgt wird, strömt sie, je nach Wärmebedarf, noch über die Oberfläche des Luft/Wasser- Wärmepumpen-Verdampfers und gibt dort die weitere Restwärme an den Kältekreislauf der Wärmepumpe ab. Wird für die Beheizung oder die Trinkwarmwasserbereitung zusätzliche Energie benötigt, wird diese aus der, der Wärmepumpe direkt zugeführten Außenluft gewonnen. Über den Verdichter der Wärmepumpe wird die Wärme auf ein höheres, für Heizzwecke geeignetes Temperaturniveau gebracht und im Verflüssiger an das Trinkwasser oder das Heizsystem abgegeben. Auf diese Weise werden bis zu 90 Prozent der Wärme aus der Abluft zurückgewonnen. Der in der Haustechnikzentrale "LWZ 504" integrierte 235-Liter-Warmwasserspeicher ist emailliert und besitzt als zusätzlichen Korrosionsschutz eine Magnesium-Schutzanode mit elektronischer Überwachung.
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Die erwärmte Zuluft wird in die Wohnung geleitet und die Fortluft über einen Kanal nach draußen entsorgt. Die Zu- und Ab-/Fortluft ist völlig voneinander getrennt, sodass eine Vermischung der Luftströme und auch eine Geruchsübertragung ausgeschlossen ist. Zwei besonders sparsame Konstant-Volumenstrom-Lüfter fördern die Luft, die dann über die strömungsgünstig geformten EPS-Formteile weitergeleitet wird. Austauschbare Filter sorgen für die Reinigung der Zu- und auch der Abluft. Der Kreuzgegenstrom-Luft/Luft-Wärmeübertrager ist mit einer Schutzschaltung gegen Einfrieren und einer Filterüberwachung ausgestattet. Zur Sicherheit verfügt die Haustechnikzentrale über eine, im gemeinsamen Rücklauf zur Wärmepumpe angeordnete, mehrstufige elektrische Zusatzheizung.
Die "LWZ 504" wird nach DIN EN 12831(Heizlastberechnung) für den Heizbetrieb ausgelegt [4]. Der reversible Kältekreislauf lässt sich im Sommer für die Kühlung umschalten. Für eine adäquate Raumkühlung kommt es aber auf die Auslegung des Verteilsystems an: Fußbodenheizungen können hier nur eine geringe Übertragungsleistung realisieren und eignen sich daher nur bedingt zur Raumkühlung. Alternativ kann die Kühlleistung des Verteilsystems durch die Anbindung einzelner Gebläsekonvektoren verbessert werden. Für den Kühlbetrieb ist im Führungsraum die Regelung "FES Komfort" zwingend notwendig – die integrierte Taupunktüberwachung verhindert die Bildung von Kondenswasser bei Flächenkühlsystemen.
Energiesparender Betrieb durch Inverterregelung der Wärmepumpe
Die Wärmepumpe der "LWZ 504" verfügt über eine Inverterregelung, mit der die Drehzahl des Rollkolbenverdichters je nach aktuell benötigter Leistung elektronisch geregelt wird. Liegen die Solltemperatur und die aktuelle Raumtemperatur weit auseinander, reagiert das Gerät auf die geänderten Anforderungen und stellt weniger Heiz- bzw. Kühlleistung zur Verfügung, was die Wirtschaftlichkeit und den Komfort erhöht.
In der Vergangenheit ließen sich die Wärmepumpen bei steigenden und sinkenden Heizlasten, zum Beispiel bei unterschiedlichen Außentemperaturen, nur durch ständiges Ein- und Ausschalten der Verdichter regeln. Diese Betriebsweise ist äußerst unwirtschaftlich und wird anschaulich, wenn man sie gedanklich auf das Autofahren überträgt. Würde die gewünschte bzw. vorgeschriebene Geschwindigkeit nur über die Funktionen "Vollgas" und "Weg vom Gas" eingehalten, wird klar, dass diese Fahrweise nicht nur äußerst unkomfortabel ist, sondern auch einen erheblich höheren Spritverbrauch zur Folge hätte. Das kontinuierlich angepasste und entsprechend dosierte "Gas geben" beim Autofahren – je nach geforderter Geschwindigkeit und Last (Berg- und Talfahrt) – entspricht der modulierenden Inverterregelung bei den Kältekreisläufen von Wärmepumpen.
Auf einer Grundfläche von etwas mehr als einem Quadratmeter erfüllt die Haustechnikzentrale "LWZ 504" nicht nur viele Komfortwünsche, sie arbeitet dabei auch besonders leise. Dafür sorgt neben der Invertertechnologie zusätzlich die aufwendige Schallisolierung. Damit gehören die Geräte der gesamten Serie zu den leisesten Produkten am Markt. Die Hocheffizienz-Heizungsumwälzpumpe und die starke Wärmedämmung des Warmwasserspeichers sorgen darüber hinaus für einen sparsamen Energieeinsatz.
Die integrierte Elektronik ist außentemperaturgeführt und regelt die Heizungs- und Warmwasser-Temperatur sowie die Kühlung individuell. Damit lassen sich die Heizkennlinien und die Solltemperaturen sowie unterschiedliche Zeitprogramme für den Heizungs-, Lüftungs-, Warmwasser- und den Abwesenheitsbetrieb von bis zu zwei Heizkreisen regeln. Zusätzlich ermöglicht die Regelung ein frei einstellbares Trockenheizprogramm für beispielsweise Estrichböden oder die Betonkernaktivierung. Die Bedieneinheit ist mit einem Matrix-/Klartext-Display und einem berührungssensitiven Tasten-/Drehfeld ausgestattet, über das die Einstellungen und Abfragen mehrsprachig erfolgen können. Die "LWZ 504" lässt sich sowohl mit einer Solarthermie- als auch mit einer Photovoltaikanlage kombinieren.
Zusammenfassung und Fazit
Sowohl die Energieeinsparverordnung (EnEV 2014) als auch die Durchführungsverordnungen zu Ökodesign (ErP) und zur Energiekennzeichnung (Energielabel) von Raumheizgeräten und Warmwasserbereitern haben weitreichende Auswirkungen auf die Heizungsbranche. In Europa dürfen nur die Produkte in Verkehr gebracht werden, die bestimmte Mindestanforderungen an die Energieeffizienz erfüllen. Gebäude bzw. Heizungsanlagen mit Elektro-Wärmepumpen erfüllen die neuen Effizienzstandards problemlos. Denn sie profitieren davon, dass sie einen hohen Anteil regenerativer Umweltenergie nutzen, also sparsam mit den primärenergetischen Ressourcen umgehen. Daher wurde in der verschärften EnEV 2014 der Primärenergiefaktor für Strom auf 1,8 gesenkt. Das Lüftungsgerät mit integrierter Luft/Wasser-Wärmepumpe "LWZ 504" erhält, je nach Ausführung, jeweils die höchste Energieeffizienzklasse; W35 A++ / W55 A+.
Literatur
[1] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Energieeffizienzstrategie Gebäude, Wege zu einem nahezu klimaneutralen Gebäudebestand
[2] Energieeinsparverordnung (EnEV):
www.bmub.bund.de/themen/bauen/energieeffizientes-bauen-und-sanieren/energieeinsparverordnung
[3] DIN 1946-6:2009-05: Raumlufttechnik – Teil 6: Lüftung von Wohnungen – Allgemeine Anforderungen, Anforderungen zur Bemessung, Ausführung und Kennzeichnung, Übergabe/Übernahme (Abnahme) und Instandhaltung
[4] DIN EN 12831:2003-08: Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast