Infrarotheizung zur Spitzenlastabdeckung

Eine technische Analyse für Bestandsgebäude

Zur Reduzierung der CO2-Emissionen im Gebäudebestand ist nicht immer eine allumfassende Sanierungslösung möglich. Als Einstieg und Brücke zur Klimaneutralität können Infrarotheizungen den Verbrauch fossiler Energie in bestehenden Wohnhäusern schnell reduzieren und Gebäude zugleich Wärmepumpen-ready machen.

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1 - Statistisches Einfamilienhaus für die Analysen (Gesamtansicht/Erdgeschoss/Dachgeschoss) – Wärmeschutzniveau nach WSVO95 Bild: TU Dresden
1 - Statistisches Einfamilienhaus für die Analysen (Gesamtansicht/Erdgeschoss/Dachgeschoss) – Wärmeschutzniveau nach WSVO95 Bild: TU Dresden

Die Energiewende, und im Besonderen die Wärmewende, hat die Dekarbonisierung des Gebäudebestandes zum Ziel. Dies unterstrich der Referentenentwurf der Bundesregierung zum Gebäudeenergiegesetz vom 19.04.2023 und avisierte das Ziel 65% erneuerbarer Energieanteil zur Gebäudebeheizung. Nachfolgenden Entwicklungen zufolge wird dies nun zunächst nur für den Neubau verpflichtend sein, dennoch sollen Öl- und Gasheizungen mittelfristig auch im Bestand vorrangig durch Versorgungssysteme auf Basis von Wärmepumpen, Fern- und Nahwärme abgelöst werden.

Speziell bei Wärmepumpensystemen ist anzumerken, dass diese umso effizienter sind, je näher die Quellen- und die Senkentemperatur zueinander liegen1. Im heizungstechnischen Kontext bedeutet dies, möglichst niedrige Systemtemperaturen zu verwenden. Bei Bestandsgebäuden sind niedrige Vor- und Rücklauftemperaturen allerdings nicht immer realisierbar, da reduzierte Temperaturen eine geringere Leistung des wärmeübertragenden Systems im Raum bedeuten. Die Heizaufgabe wäre in diesem Fall nicht ausreichend zu erfüllen (Aufrechterhaltung der wärmephysiologischen Verhältnisse – operative Raumtemperaturen).

1Z. B. Luft-Wasser-Wärmepumpen: Bei niedrigen Quellentemperaturen und hohen Systemtemperaturen auf der Sekundärseite werden nur geringe Jahresarbeitszahlen erreicht.

Untersuchungsgegenstand

In einer von der TU Dresden durchgeführten technischen Studie /1/ wird dieses Thema aufgegriffen und analysiert, ob ein Wärmepumpensystem ergänzt durch eine Infrarotheizung (IR-Heizung) als Spitzenlastsystem zu behaglichen Zuständen im Raum während den Nutzungsphasen führen kann, ohne dass die freien Heizflächen ausgetauscht werden. Hierzu wurde an einem Modellgebäude nach WSVO95 /3/ (vgl. Bild 1) zunächst ausgehend von einem Heizsystem mit Gas-Niedertemperaturgerät (NT-Gerät) mit einer Auslegung auf ϑV = 70/ϑR = 55/ϑi = 20 °C die Systemtemperatur abgesenkt und die fehlende Heizleistung durch raumweise installierte Infrarotheizsysteme ergänzt. In einem zweiten Schritt wurde der existierende Wärmeerzeuger durch eine Wärmepumpe inklusive eines Pufferspeichers mit einer Größe von V = 200 l ersetzt. Das hydraulische Verteilsystem sowie die Wärmeübergabeeinrichtungen und die Gebäudehülle wurden hierbei nicht verändert.

Für das IR-Heizungssystem wurden Heizpaneele verwendet, die auf die Raumheizlast dimensioniert sind. Die Orientierung (vgl. Bild 2) der Paneele wurde im geometrischen Gebäudemodell jedoch nicht ortsscharf realisiert, sondern über einen Strahlungswirkungsgrad von 50% berücksichtigt. Dies ist eine Vereinfachung, die gewählt wurde, um zunächst grundsätzliche verallgemeinerbare Aussagen ableiten zu können.

2 - Reale Orientierungssituationen von Infrarotheizungen (Analysen im Combined Energy Lab der TU Dresden) Bild: TU Dresden

Hinsichtlich des Nutzerverhaltens wurde innerhalb der Studie ein 4-Personen Haushalt im Modellgebäude hinterlegt. Alle Räume wurden mit zeitlich abhängigen internen Wärmegewinnen und Luftwechselraten je nach Nutzung beaufschlagt. Details der Modellierung sind zusätzlich in /1/ zu finden. Die gesamten Analysen wurden mit dem numerischen Simulationsprogramm TRNSYS-TUD durchgeführt, das an der TU Dresden in signifikantem Umfang weiterentwickelt wurde /2/.

Für die Auswertung der Analysen wurden energetische Kenngrößen entlang der Bedarfsentwicklung im Gebäude sowie als Indikator für die thermische Behaglichkeit die operative Raumtemperatur als Summenwert herangezogen. Die Ermittlung der Summenhäufigkeiten der operativen Raumtemperatur erfolgte für die Nutzungszeit und ist in der Weise zu interpretieren, dass rechts des Sollwertes eine Überheizung und links des Sollwertes eine Unterschreitung der gewählten operativen Raumtemperatur zu verzeichnen ist. Bild 3 zeigt dies an einem frei gewählten Beispiel.

3 - Exemplarische Darstellung zur Summenhäufigkeit der operativen Raumtemperatur Bild: TU Dresden

Ergebnisse

Wie eingangs beschrieben, erfolgte in einem ersten Schritt die Bestimmung des Ist-Zustandes des dokumentierten Gebäudes nach WSVO95 /3/. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse dieser Analysen.

Bild: TU Dresden

Aus diesen Ergebnissen wird ersichtlich, dass aufgrund der durchgehenden Betriebsweise des Heizsystems energetische Mehraufwändungen für das Gebäude gegenüber einer intermittierenden Betriebsweise entstehen. Dies ist nicht verwunderlich, da durch die intermittierende Betriebsweise die mittleren Raumtemperaturen deutlich unter den Raumtemperaturen der durchgehenden Betriebsweise liegen. In den Bildern 4 und 5 wird dies nochmals grafisch dargestellt, exemplarisch für einen charakteristischen Tag mit mittleren Außentemperaturen (ϑa = 0…4 °C) bezogen auf die Heizperiode. Für beide Varianten werden die operativen Raumtemperaturen zur Nutzungszeit eingehalten.

4 - Temperaturen (repräsentativer Raum) – NT-System (intermittierender Betrieb mit TRV; ϑVR = 70/55 °C) Bild: TU Dresden
5 - Temperaturen (repräsentativer Raum) – NT-System (durchgehender Betrieb mit TRV; ϑVR = 70/55 °C) Bild: TU Dresden

In einem zweiten Schritt der Untersuchungen wurden die Auslegungssystemtemperaturen des hydraulischen Systems auf ϑV = 40/ϑR = 30/ϑi =20 °C abgesenkt und das so entstandene Leistungsdefizit durch eine Infrarotheizung in den Räumen kompensiert. Tabelle 2 liefert die Ergebnisse der Untersuchung. Die Analysen wurden hierbei für eine in der numerischen Simulation fest hinterlegte Heizgrenztemperatur von ϑa = 15 °C vorgenommen.

Bild: TU Dresden

2Innerhalb der Studie wurden drei verschiedene Varianten bezüglich der Regelung der Nachtabschaltung untersucht:· Keine Nachtabschaltung über die gesamte Heizperiode.· Mit Nachtabschaltung der zentralen Pumpe im Zeitraum von 22:00 bis 05:00 Uhr über die gesamte Heizperiode.· Eine Nachtabschaltung der zentralen Pumpe im Zeitraum von 22:00 bis 05:00 Uhr in Abhängigkeit der Außentemperatur. Als Grenztemperatur wurde ein Wert von ϑa = 3 °C gewählt, d. h. nur wenn die Außentemperatur höher als der definierte Grenzwert ist, erfolgt eine Nachtabschaltung der Pumpe.

 

Die Ergebnisse zeigen, dass je nach Randbedingung der Anteil der IR-Heizung an der Gebäudebeheizung zwischen 26 und 30 % liegt. Die wärmephysiologischen Kriterien werden bei dieser Systemkombination, mit Ausnahme der Variante mit Nachtabschaltung3, bei allen Räumen eingehalten. Exemplarisch hierfür sei dies durch die Summenhäufigkeiten der operativen Raumtemperatur nach Bild 6 dokumentiert.
3Bei der Variante mit Nachtabschaltung tritt eine Unterschreitung der Solltemperatur von bis zu 1 K auf.
 

6 - Operative Temperatur ϑop des repräsentativen Raumes für verschiedene Betriebsweisen – NT-System + IR-Heizung (Heizgrenze ϑa = 15 °C) Bild: TU Dresden

Als vorteilhaft erweist sich eine Nachtabschaltung in Abhängigkeit der Außentemperatur (ϑa = 3 °C), die Energieeinsparungen mit geringer Beeinträchtigung der wärmephysiologischen Verhältnisse im Raum ermöglicht.

Zusätzlich zu den Analysen mit einer Heizgrenze von ϑa = 15 °C wurden Untersuchungen vorgenommen, bei der die Heizgrenztemperatur auf ϑa = 10 °C eingestellt war. Tabelle 3 liefert die Ergebnisse der Analysen.

Bild: TU Dresden

Bei ihrer Betrachtung ist festzustellen, dass die Anteile der IR-Heizung an der Heizaufgabe nur geringfügig gesteigert werden können. Die grundsätzlichen Tendenzen sind analog zu denen der Analysen mit einer Heizgrenze von ϑa = 15 °C.

Im nächsten Schritt der numerischen Analysen erfolgte der Austausch des NT-Gerätes durch ein Wärmepumpensystem mit Pufferspeicher. Die energetischen Ergebnisse für das Modellgebäude sowie die sich einstellenden operativen Raumtemperaturen für den repräsentativen Raum sind Tabelle 4 und Bild 7 zu entnehmen.

Bild: TU Dresden
7 - Operative Temperatur (ϑop) des repräsentativen Raumes für verschiedene Betriebsweisen – WP-System + IR-Heizung (Heizgrenze ϑa = 15 °C) Bild: TU Dresden

Auch für diese Varianten ist ersichtlich, dass der Anteil der IR-Heizung von der Betriebsweise hinsichtlich der Nachtabschaltung abhängig ist. Durch den COP-Wert der Wärmepumpen können signifikant sinkende Bedarfswerte für die Endenergie erreicht werden. Maßgeblich ist aus den operativen Raumtemperaturen zu detektieren, dass die Heizaufgabe durch die Systemkombination von hydraulischen Wärmepumpensystemen und IR-Heizungen gewährleistet werden kann. Die Unterschreitung der operativen Raumtemperaturen ist gering.

Analog zum Vorgehen beim NT-Gerät wurden Analysen für eine Heizgrenztemperatur von ϑa = 10 °C auch für das System mit Wärmepumpe durchgeführt. Die energetischen Kenndaten sind der Tabelle 5 zu entnehmen.

Bild: TU Dresden

Grundsätzlich ist bei einer Analyse der Daten der Tabelle 5 eine Steigerung des Anteils der IR-Heizung zu verzeichnen. Dies ist identisch zu den Analysen mit NT-Gerät. Auffällig ist jedoch, dass die Endenergiekennwerte höher ausfallen als bei einer Heizgrenztemperatur von ϑa = 15 °C. Dies ist auf die längere Laufzeit der IR-Heizung und die verkürzten Laufzeiten der Wärmepumpe zurückzuführen. Energetisch ist dies aus aktueller wirtschaftlicher Sicht zu hinterfragen, da die Laufzeit der Wärmepumpe immer maximal gewählt werden sollte.

Abschließend zu den Analysen sind in den Bildern 8 und 9 die Nutzenergie und die Endenergie für die Konfiguration mit einer Heizgrenztemperatur von ϑa = 15 °C dokumentiert.

8 - Nutzenergien für unterschiedliche Systemkombinationen (Heizgrenze ϑa = 15 °C) Bild: TU Dresden

Betrachtet man Bild 8, so kann festgestellt werden, dass aus technischer Sicht eine Substitution einer Gasheizung durch ein WP-System mit IR-Heizung als Spitzenlastabdeckung realisierbar ist. Die Systeme liefern in der Gesamtbetrachtung nahezu gleiche Kennwerte für die thermische Behaglichkeit. Aus energetischer Sicht (Bild 9) liegen mit der Kombination aus Wärmepumpe und IR-Heizung deutlich geringere Werte für den Endenergiebedarf vor. Anzumerken ist hierbei jedoch, dass die finanziellen Aufwändungen für Erdgas und Elektroenergie sehr unterschiedlich sind und in einer zukünftigen wirtschaftlichen Bewertung der Systeme berücksichtigt werden müssen.

9 - Endenergien für unterschiedliche Systemkombinationen (Heizgrenze ϑa = 15 °C) Bild: TU Dresden

Fazit

Die Ergebnisse der Analysen zeigen, dass aus technischer Sicht die Kombination aus Wärmepumpensystem und IR-Heizung ohne Austausch der Heizkörper zur Erfüllung der Heizaufgabe möglich ist und zu keinen Beeinträchtigungen in Hinblick auf die Wärmephysiologie im Raum für das den Untersuchungen zugrunde gelegte Modellgebäude nach WSVO95 führt. Der große Vorteil der IR-Heizung besteht dabei in der nahezu trägheitslosen Einbringung der Wärme. Damit können stark intermittierende Betriebsweisen realisiert werden.

Mit Blick auf das Ziel des GEG, 65 % der Gebäudewärme aus erneuerbaren Energien zu realisieren, wird deutlich, dass dieses Kriterium nahezu für alle Varianten mit Verwendung einer Wärmepumpe eingehalten wird. Damit zeigt die diesem Beitrag zugrundeliegende Studie einen technischen Lösungsansatz für eine Klasse von Gebäuden auf, für die das Sekundärsystem und die Gebäudefassade kaum zu verändern sind. Wirtschaftlich wurden die Systeme in der vorliegenden Veröffentlichung nicht bewertet. Dies bleibt weiteren Studien zum Thema vorbehalten.

Mehr zum Thema:

Potentialbewertung von Infrarotheizungen als Spitzenlastabdeckung; Abschlussbericht TU Dresden, 2023

Literaturhinweise

/1/ Knorr, M.; Meinzenbach, A.; Schinke, L.; Seifert, J.; Perschk, A.: Potentialbewertung von Infrarotheizungen als Spitzenlastabdeckung; Forschungsbericht TU Dresden, 2023

/2/ Perschk, A.: Gebäude und Anlagensimulation –Ein „Dresdner Modell“. In: Gesundheitsingenieur (2010), August, Nr. 4

/3/ WSVO95: Dritte Wärmeschutzverordnung 1995, Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden, 01.01.1995

Nomenklatur

  • COP
    Coefficient of Performance

  • IR
    Infrarot

  • NA
    Nachtabschaltung

  • NT
    Niedertemperatur

  • TRV
    Thermostatregelventil

  • WSVO
    Wärmeschutzverordnung

  • ϑa
    Außentemperatur

  • ϑi
    Innentemperatur (unter Normbedingungen)

  • ϑop
    operative Raumtemperatur

  • ϑV
    Vorlauftemperatur

  • ϑR
    Rücklauftemperatur

  • QF,NT
    Feuerungswärme (NT-Kessel)

  • QEnd, (FH+IRH)
    Endenergie (Summe aus freien Heizflächen und Infrarotheizung)

  • QNutz,FH
    Nutzenergie (bezogen auf freie Heizflächen)

  • QNutz,IRH
    Nutzenergie (bezogen auf Infrarotheizung)

  • QNutz, (FH+IRH)
    Nutzenergie (Summe aus freien Heizflächen und Infrarotheizung)

  • V
    Volumen

Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert

Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert

Dr.-Ing. Martin Knorr

Dr.-Ing. Martin Knorr

Dr.-Ing. Alf Perschk

Dr.-Ing. Alf Perschk

Dipl.-Ing. Lars Schinke

Dipl.-Ing. Lars Schinke

Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach

Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach
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Eine technische Analyse für Bestandsgebäude
Seite 44 bis 48
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