Die Energiesparbremse lösen!

Wie paradox sind die extrem kostenintensiven Versuche der Bundesregierung, die Klimaziele erreichen zu wollen, ...

... fragen sich die Autoren dieses Fachbeitrags. Alle verzweifelten, unausgegorenen Aktionen in diesem Kontext seien dadurch gekennzeichnet, dass Geld im Überfluss vorhanden zu sein scheint, die Maßnahmen sich teilweise selbst behindern sowie Überlegungen zum Wirkungsgrad und zur Energieeffizienz keine Rolle spielten. Dabei liegen Lösungsvorschläge auf dem Tisch.

Die „Energiesparbremse“ ist in Deutschland fest angezogen – sie zu lösen, fällt den verantwortlichen Akteuren offensichtlich sehr schwer. Nur ein Beispiel: Die Information vom BMWK und BMWSB vom 15. Dezember 2023. Unter „Technologische Vielfalt, individuelle Lösung“ werden folgende Möglichkeiten angeboten, die in Kurzform den Voraussetzungen des sogenannten „Heizungsgesetzes“ entsprechen – von Energieeinsparung als effizientester Lösung im Gebäudebereich ist kein Wort zu lesen:

• Wärmenetz,
• Wärmepumpe,
• Biomasseheizung,
• Stromdirektheizung,
• Solarthermie,
• Biomethan und Wasserstoff.

Die hier demonstrierte „Technologieoffenheit“ sollte besser an erster Stelle die Energieeinsparung nennen, als die effektive Lösung, um den Verbrauch und die Emissionen zu reduzieren. Mit anderen Worten (Quelle: Artikel „Energieeffizienz“, BMWK): „[…] Die sauberste Energie ist die, die gar nicht erst verbraucht wird“ oder „Die Energiewende wird gelingen, wenn wir die Energieeffizienz steigern und dadurch unseren Energieverbrauch senken.“

Jedoch steht die Bundesregierung ihren eigenen Veröffentlichungen und Zielen im Weg. Nicht zuletzt durch den Anwendungszwang praxisfremder, veralteter Gesetze, Vorschriften und Normen verhindert sie die Energiewende. Dies soll im Folgenden exemplarisch am Beispiel „Fußbodenheizung“ dargestellt werden. Konkret: an den technischen Unzulänglichkeiten sowie der fehlenden GEG-Konformität der aus dem letzten Jahrhundert stammenden Drossel-Regelung (aktueller „Stand der Technik“) für Fußbodenheizungen. In diesem Zusammenhang gilt es, die betroffenen Gesetze, Normen und Verordnungen dringend zu überarbeiten und dem technischen Fortschritt anzupassen. Erst dann ist der Weg für energiesparende, innovative „intelligente Technik“ wirklich frei.

Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) – seit 1976 (EnEG, EnEV) bis heute gültig – unterscheidet nämlich nicht zwischen Heizkörperheizungen und Fußbodenheizungen. Beide Systeme, mit gleicher Regelung, sind in Bezug auf die Wärmeabgabe aber komplett unterschiedlich und verhalten sich speziell im Kontext der Energieeinsparung absolut konträr.

GEG-konform?

Die derzeit nach GEG §61 und §63 gebauten Fußbodenheizungen sind so nicht GEG-konform und müssen als „geduldeter Ersatz“ eingestuft werden. Der Gesetzgeber muss ferner auf die strikte Einhaltung des Gesetzes bestehen. GEG (2020) §63 „Raumweise Regelung der Raumtemperatur“ fordert: „Wird eine heiztechnische Anlage mit Wasser als Wärmeträger in ein Gebäude eingebaut, hat der Bauherr oder Eigentümer dafür Sorge zu tragen, dass die heiztechnische Anlage mit einer selbsttätig wirkenden Einrichtung zur raumweisen Regelung der Raumtemperatur ausgestattet ist“.

Die jetzige Drosselregelung der Fußbodenheizung ist weder eine Regelung noch kann die Raumtemperatur als Regelgröße gemessen und angewandt werden. Die Drosselregelung der Fußbodenheizung ist vielmehr eine Zweipunktsteuerung und keine Regelung nach DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis und Rückmeldung. Sie entspricht demnach nicht GEG §63.

Dagegen sind die technischen Voraussetzungen für einen innovativen Ersatz durch eine „intelligente Regelung“ als Bedarfsheizung mit raumweiser Input-Regelung des Raumklimas gegeben. In ein bis zwei Jahren könnte ein solches System marktreif sein – der Gesetzgeber muss lediglich den Weg für den Einsatz neuer, energiesparender Technologien frei machen und auf die Einhaltung einschlägiger Gesetze und Vorschriften bestehen. Der derzeitige Status quo behindert die freie Marktwirtschaft.

Weiterhin postuliert die genannte DIN 19226: „Das Regeln, die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), erfasst und mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungskreis des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst.“

Die jetzige Drosselregelung der Fußbodenheizung kann jedoch mit dem Raumfühler nur die örtliche Lufttemperatur (20%) und nicht die geforderte operative Raumtemperatur messen. Die Definition der Raumtemperatur lautet: „Die Raumtemperatur oder Innentemperatur ist eine zusammenfassende Temperaturgröße aus der örtlichen Lufttemperatur und den Strahlungstemperaturen der einzelnen Umgebungsflächen“.

Maximal 20 Prozent der Wärme gibt die Fußbodenheizung über Konvektion an die Raumluft ab (vgl. Abb. 1) – das ist keine Regelgröße. Der wesentliche Anteil der Wärmeabgabe erfolgt über elektromagnetische Strahlung (80%) an die Raumumschließungsflächen. Diese über Strahlung abgegebene Wärme kann mit dem Raumfühler nicht gemessen und in den Regelvorgang einbezogen werden. Es gibt also praktisch keine Regelgröße!

Dies unterstreicht des Weiteren die Abbildung 2: Denn bei Bodenoberflächentemperaturen (t Ofl) zwischen 22,2 °C und 20 °C während der Heizperiode geht der Konvektionsanteil bei der Fußbodenheizung gegen 0. In diesem Bereich ist der Konvektionsanteil der an den Raum abgegebenen Wärme keine messbare Größe mehr.

Besser macht es an dieser Stelle – einmal mehr – die Schweiz: Hier sind Heizungsanlagen von der Raumthermostatpflicht befreit, wenn die Vorlauf-Auslegungstemperatur unter 30 °C liegt (gemäß SIA 384.201)!

Von solchen pragmatischen und logischen Ansätzen sind wir in Deutschland noch weit entfernt – GEG (2020) §61 „Verringerung und Abschaltung der Wärmezufuhr sowie Ein- und Ausschaltung elektrischer Antriebe“ fordert: „(1) Wird eine Zentralheizung in ein Gebäude eingebaut, hat der Bauherr oder der Eigentümer dafür Sorge zu tragen, dass die Zentralheizung mit zentralen selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Verringerung und Abschaltung der Wärmezufuhr sowie zur Ausschaltung elektrischer Antriebe ausgestattet ist. Die Regelung der Wärmezufuhr sowie die der elektrischen Antriebe im Sinne von Satz 1 erfolgt in Abhängigkeit von

1. der Außentemperatur oder einer anderen geeigneten Führungsgröße und
2. der Zeit.“

Sprich: Nur die außentemperaturgeführte zentrale Gebäuderegelung entsprechend GEG §61 ist eine echte Regelung nach DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis und Rückmeldung. Eine „andere Führungsgröße“ ist bei Fußbodenheizungen konsequent auszuschließen. Voraussetzung für eine energieeffiziente Funktion ist die exakte Einstellung der Heizkurve mit der sich aus der größten spezifischen Raumheizlast ergebenden Auslegungstemperatur, der späteren Systemtemperatur der Fußbodenheizung. Bei Heizkörperheizungen ist die „andere geeignete Führungsgröße“ als Temperatur eines Referenzraumes bekannt und kann Sinn machen.

Ergo: GEG §61 mit einer „anderen Führungsgröße“ und §63 als Steuerung mit Raumtemperatur-Begrenzung sind für Fußbodenheizungen technischer Unsinn. Die fehlende Raumtemperaturregelung bei Fußbodenheizungen führt zu einer Energieverschwendung von über 30 Prozent.

Ungenaue Heizlastberechnung

Weiterhin ist die Heizlastberechnung nach DIN 12831 für die energieeffiziente Auslegung/Berechnung und Einregulierung der Fußbodenheizung in Mehrfamilienhäusern nicht geeignet. Nach DIN 12831 – 4.2.2.2, Tabelle 15 müssen Wärmeverluste durch Wohnungstrennwände zu eingeschränkt beheizten Nachbarräumen anderer Nutzungseinheiten in die Berechnung miteinbezogen werden. Diese Reserveheizlast ist raumweise sehr unterschiedlich, hauptsächlich Räume kleinerer Wohnungen werden unterschiedlich hoch, je nach Anzahl und Größe der Wohnungstrennwände (vgl. Abb. 3, orange) beaufschlagt. Dieser Reserveaufschlag kann für einzelne Räume bis zu 70 Prozent betragen. Die sich aus dem Raum mit der größten spezifischen Heizlast (W/m²) ergebende, durch die Reserveheizlast überhöhte Auslegungstemperatur hat zur Folge, dass alle folgenden Berechnungen wegen unterschiedlich beaufschlagter Wassermengen falsch sind. Diese mit Reserven versehene Raumheizlast wird später über Jahrzehnte hinweg einen energieverschwendenden Anlagenbetrieb fördern:

• Die Rohrnetzberechnung mit Einstellwerten für den hydraulischen Abgleich ist falsch. Der Grund sind die wegen der Reserve-Heizlast überhöhten Wassermengen, die zu falschen Rohrwiderständen und Druckverlusten führen.
• Die Pumpenauslegung ist wegen zu hoher Wassermenge und zu hohem Druckverlust falsch.
• Die Auslegung der Fußbodenheizung ist wegen überhöhter Auslegungstemperatur falsch.
• Die außentemperaturgeführte, zentrale Regelung mit Heizkennlinie ist falsch eingestellt. Grund ist die zu hohe Auslegungstemperatur, die vom Raum mit der größten (überhöhten) spezifischen Raumheizlast vorgegeben wird. Etwa sechs Prozent Überversorgung pro Grad zu hoch eingestellter maximaler Auslegungstemperatur.
• Hydraulischer Abgleich auf Basis der Heizlastberechnung nach DIN 12831: Der Gesetzgeber hat mit der „Verordnung zur Sicherung der Energieversorgung durch mittelfristig wirksame Maßnahmen“ (EnSimiMaV) nach „Verfahren B“ die Berechnung der Heizlast nach DIN 12831 als Grundlage für die Ermittlung des hydraulischen Abgleichs vorgeschrieben. Der Rest soll geschätzt und angenommen werden. Die aufwändige und kostspielige Berechnung der Heizlast stellt vor dem Hintergrund der Reserveheizlast eine ungenaue Vorgabe dar, was den Aufwand in Frage stellt. Auch für die Heizlast gibt es Schätzwerte erfahrener Fachleute. Der Aufwand relativiert sich, wenn man den Einspareffekt von fünf Prozent (Quelle: Materne, Energieberatung Verbraucherzentrale Bundesverband) und 6,6 Prozent („HAPT“-Projekt, mit 197 Gebäuden die größte Untersuchung der letzten zehn Jahre mit elf TGA-Büros und Energieberatern und sechs Handwerksbetrieben) betrachtet.

Weitere Unschärfen in der Praxis

Zudem führt die Auslegung der Fußbodenheizung nach DIN 1264 mit – praxisbedingt – ungenauen Vorgaben zu einer energieverschwendenden Überversorgung der Fußbodenheizung. Vermutlich ist das Ergebnis der komplizierten rechnerischen Auslegung der Fußbodenheizung eher einer Schätzung gleichzusetzen:

• Die mit Reserve beaufschlagte Raumheizlast entspricht nicht dem tatsächlichen Betriebszustand und führt zu überdimensionierter Auslegung mit Überversorgung und zu großem Materialeinsatz.
• Der Wärmedurchlasswiderstand des Oberbodens wird für bestimmte Raumtypen von der DIN 1264 empfohlen. Diese eigentlich sinnvollen Annahmen für die Planung der Fußbodenheizung stimmen mit den oft in der Bauphase getroffenen Änderungswünschen späterer Nutzer aber nicht überein.
• Die Grundfläche des Raumes wird aus dem Plan übernommen. Diese Fläche entspricht später im Betrieb nicht der wärmeabgebenden Bodenfläche. Möblierung und lose Teppiche etwa, die die Wärmeabgabe aus dem Boden verhindern, reduzieren die Fläche teilweise um über 25 Prozent (vgl. Abb. 3, blaue Flächen).
• Gleiche Vorlauftemperatur für alle Räume des Hauses ist die Vorgabe für die Auslegung und den späteren Betrieb der Drosselregelung. Eine flächenmäßige Anpassung der wärmeabgebenden Bodenfläche an die errechnete Raumheizlast ist bei der Fußbodenheizung nicht möglich. Die angebotenen Verlegeabstände reichen nicht aus (vgl. Abb. 4).

Im Beispiel von Abbildung 4 sind alle Kreise der Wohnung mit 47 °C Vorlauftemperatur (rote Balken, 10K), die die ungünstigsten Kreise 113, 116 und 121 vorgeben, gerechnet worden. Die grünen Balken und die rote Temperatur am rechten Rand geben die Heizwassertemperaturen vor, die der Heizlast der einzelnen Räume entsprechen.

Probleme erkannt – Lösung gefunden

Erhebliche Potentiale für Energieeinsparung im Gebäudebereich bei Neu- und Bestandsbauten durch eine „intelligente Regelung“ der Fußbodenheizung hat ein Validierungsauftrag für Forschungs- und Entwicklungsleistungen zum Thema „Energiesparende Beimischregelung der Fußbodenheizung“ ausgemacht. Die Ergebnisse der Validierung sowie der Abschlussbericht sind online verfügbar: www.sprind.org/de/artikel/beimisch-regelung-fussbodenheizung

Ziel der Validierung war es, für ein neues patentiertes Regelsystem für Fußbodenheizungen – die sogenannte „Raumweise Beimischregelung“ – den Nachweis zu erbringen, dass die vorgegebenen Nutzungsziele bezüglich Energieeinsparung, Normenkonformität, Komfort und Nachhaltigkeit den Vorgaben entsprechen. Im Folgenden werden einige Ergebnisse (auszugsweise) aufgelistet: Die Umrechnung der eingesparten Heizenergie durch eine „intelligente Regelung“ der Fußbodenheizung auf eingesparte elektrische Energie erfolgt hierbei anhand der Nutzung von Wärmepumpen mit einer angenommenen Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3,0.

Die Stromdirektheizung, die vom BMWK, wie eingangs erwähnt, unter „technologische Vielfalt“ eingestuft wird, benötigt also die dreifache PV-Fläche und die dreifache Stückzahl Windenergieanlagen, um die durch die jetzige Drosselregelung verschwendete Heizenergie zu erzeugen.

Umrechnungsfaktoren Photovoltaik, angenommen: Flächenspezifische Leistung (50 W/m²), 1.025 Vollbenutzungsstunden/Jahr. Umrechnungsfaktoren Windenergieanlagen (WEA): Leistungsklasse (2,5 MW), 1.886 Vollbenutzungsstunden/Jahr.

Die im Jahr 2020 gebauten 275.760 Neubauwohnungen mit Fußbodenheizung hätten mit einer „intelligenten Regelung“ folgendes (Energie-)Einsparpotential realisieren können:

• Einsparung Endenergie: 549.138 MWh/a
• Einsparung CO₂e-Emissionen: 110.304 Tonnen/a
• Eingesparte Fläche Photovoltaik: 357 ha PV-Fläche
• Eingesparte Windenergieanlagen: 39 Stück WEA
• Etwa 82.728 Wohnungen könnten mit der eingesparten Energie kostenlos beheizt werden.

Die von 1977 bis 2020 gebauten 5.620.000 Bestandswohnungen mit Fußbodenheizung hätten nach einer Sanierung mit einer „intelligenten Regelung“ darüber hinaus – jedes Jahr – etwa folgendes (Energie-)Einsparpotential:

• Einsparung Endenergie: 11.240.000 MWh/a
• Einsparung CO₂e-Emissionen: 5.620.000 Tonnen/a
• Eingesparte Fläche Photovoltaik: 7.304 ha PV-Fläche
• Eingesparte Windenergieanlagen: 797 Stück WEA
• Etwa 1,68 Millionen Wohnungen könnten mit der eingesparten Energie kostenlos beheizt werden.

Oder anders ausgedrückt: Gerade in Bestandswohnungen birgt die Nachrüstung der innovativen Fußbodenheizungsregelung ein Riesenpotential an Energieeinsparung von über 30 Prozent. Die geringen Kosten für den Austausch der Regelung amortisieren sich innerhalb von unter zwei Jahren. Es wird außerdem kein Fachpersonal gebunden.

Fazit: Innovation zulassen

GEG und „Heizlast-Norm“ in ihrer aktuellen Ausgestaltung fördern die Energievergeudung. Alle heute errichteten Neubauwohnungen, die mit Fußbodenheizung mit Drosselregelung („Stand der Technik“) ausgestattet werden, sind bereits jetzt sanierungsbedürftig, da sie über 30 Prozent zu viel Energie verbrauchen. Denn die Drosselregelung von Fußbodenheizungen ist im Grunde eine Zweipunktsteuerung – keine Regelung, mit Raumtemperatur-Begrenzung. Sie entspricht nicht einer Raumtemperatur-Regelung nach GEG §63 und muss als „geduldeter Ersatz“ eingestuft werden.

Des Weiteren erfüllt die „klassische“ Drosselregelung von Fußbodenheizungen keinen einzigen Punkt der geforderten „intelligenten Regelung“. Ein Beispiel, um eine solche „intelligente Regelung“ zu realisieren und die drei Ziele „Energieeffizienz, Komfort und Nachhaltigkeit“ beim Betrieb von Fußbodenheizungen in der Praxis sicher zu erreichen, hat der Autor, Peter Gabanyi, mit dem Konzept „Bedarfsheizung mit Beimischregelung als Input-Regelung mit Raumklima als Regelgröße“ entwickelt, erfolgreich validieren und patentieren lassen.

Die wesentliche Voraussetzung für eine energiesparende Fußbodenheizung ist eine echte Regelung nach DIN 19226 und eine real messbare und darstellbare Regelgröße, die auch den Strahlungsanteil mit einbezieht.

Vielleicht gelingt es der Bundesregierung, solche innovativen Lösungen für den Klimaschutz zu erkennen und zu fördern – nicht zuletzt, um die Abwanderung von entsprechenden Schutzrechten ins Ausland zu verhindern. Es gab eine Zeit, da hatte Deutschland das Ziel, angewandten Klimaschutz zu exportieren.

[Dipl.-Ing. (FH) Peter Gabanyi, Sebastian Castorf]