Ich möchte einige energetische Sanierungsmaßnahmen an meinem Haus durchführen, falls sie wirtschaftlich sinnvoll sind. Dafür muss ich wissen, wie groß die Wärmepumpe dimensioniert sein muss. Ich muss das gegebenenfalls pro Raum wissen, um beurteilen zu können, ob ich neue Heizkörper benötige.
Die Heizlast ist die Wärmemenge, die zur Aufrechterhaltung der Raumtemperatur nötig ist. Da ich wissen möchte, wie viel Leistung die Wärmepumpe(n) bringen sollen, muss ich mir vor allem die Extremwerte ansehen.
Normaußentemperatur
Die Normaußentemperatur ist die tiefste Temperatur einer Kälteperiode, welche sich 10 Mal innerhalb von 20 Jahren über einen Zeitraum von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Tagen gehalten haben muss.
Quelle: haustechnikverstehen.de
Es ist also insbesondere nicht die kälteste gemessene Temperatur. Es ist jedoch eine sinnvolle Annahme für die Dimensionierung des Heizsystems.
Beispiel: In München (PLZ 80939) liegt die Norm-Außentemperatur bei -12.9°C, aber die kälteste gemessene Temperatur bei -19.20°C (Quelle). Das Histogramm zeigt, dass es in München zwischen 2005 und 2023 im Schnitt in einem Jahr nur 5.8 Stunden unter -13°C hatte.
Legt man seine Heiztechnik nun für -12.9°C aus, dann ist es in diesen 5.8 Stunden im Jahr unterdimensioniert. In der Zeit verliert das Haus also Wärme, wenn man nicht gegensteuert. Das kann man zum Beispiel einfach mit einem mobilen Heizlüfter für 20€ lösen. Allerdings sind diese 5 Stunden vermutlich ohnehin in der Nacht. Und das Haus wird ja nicht sofort klirrend kalt, sondern kühlt allmählich ab.
Wenn man hingegen die Heiztechnik nicht auf -12.9°C sondern auf -19.20°C auslegt, dann kann man mit einigen tausend Euro an Mehrkosten rechnen.
Hüllflächenverfahren
Das Hüllflächenverfahren habe ich von schlau energiesparen (Alex Boerger) gelernt. Das Video und den Kanal kann ich sehr empfehlen.
Das Hüllflächenverfahren ist eine einfache Methode zur Berechnung der Heizlast pro Raum.
Die Wärmeverluste lassen sich in zwei Kategorien aufteilen:
- Lüftungswärmeverluste: Wärmeverluste durch Luftaustausch
- Transmissionswärmeverluste: Wärmeverluste durch Abstrahlung
Die Berechnung von beiden werde ich im Folgenden erklären. Um ein intuitives Verständnis von diesen zu bekommen:
Eine geschlossene Plastik-Tüte hat keinen Luftaustausch. Es gibt also keine Lüftungswärme-Verluste. Dennoch wird es in der Tüte kalt. Das sieht man z.B. wenn man Wassereis in den Gefrierschrank legt. Das sind reine Transmissunswärmeverluste.
Umgekehrt verhindern diese Glasfaser-Dämmplatten nicht, dass es durch zieht. Wenn man also zu viel Luftaustausch hat, dann kann der Lüftungswärmeverlust auch hoch sein.
Lüftungswärmeverluste
Man muss die Raumluft etwa alle zwei Stunden wechseln um Schimmel zu vermeiden. Teilweise sehe ich auch 4x pro Tag (Quelle), aber hier rechne ich mal lieber vorsichtig. Da die Gebäudehülle auch nicht ganz dicht ist, nehme ich hier lieber einen höheren Wert an.
Ich muss also jede Stunde die Hälfte des Raumvolumens austauschen. Das heißt, dass ich die Luft mit der Außentemperatur auf die Innentemperatur anheben muss.
Ich brauche also:
- Raumvolumen $V$: Typischerweise B×L×H. Bei einer Dachschräge oder nicht-Quaderförmigen Räumen wird es komplizierter, aber das ist immer noch alles einfache Geometrie.
- Energie für 1m³ Luft: 0.34 Wh / K
- Pro Stunde die Hälfte des Raumvolumens
- Temperaturdifferenz $\Delta_T$: Die gewünschte Innentemperatur minus die Norm-Außentemperatur
Daher ist die Leistung für den Ausgleich der Lüftungswärmeverluste:
$P_{\text{Lüftung}} = 0.34 \frac{Wh}{K} \cdot \frac{V}{2} \cdot \Delta_T$
Beispiel: Angenommen ich habe einen Raum mit 3m Länge, 4m Breite, und einer Raumhöhe von 2.45m. Dann habe ich ein Volumen von $V = 3\text{m} \cdot 4\text{m} \cdot 2.45\text{m} = 29.4\text{m}^3$. Angenommen ich habe eine Norm-Außentemperatur von -13°C und eine Wunschtemperatur von 22°C. Dann habe ich $\Delta_T = 22 - (-13) = 35 K$.
Um die Lüftungsverluste dieses Raumes auszugleichen muss ich also Wärme in Höhe von $= 0.34 \frac{Wh}{K} \cdot \frac{29.4\text{m}^3}{2} \cdot 35 K \approx 175W$ hinzuführen.
Transmissionswärmeverluste
Hier kommt es auf die Außenfläche an und der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) kommt ins Spiel. Der U-Wert gibt an, wie viel Energie verloren geht, wenn draußen die Temperatur ein Grad kälter ist. Er wird in $\frac{W}{m^2 \cdot K}$ angegeben.
Hier muss man jetzt sehr viele Flächen berechnen und die U-Werte der Bauteile kennen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie das Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat haben für Altbauten Tabellen in einer Bekanntmachung der Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Wohngebäudebestand aufgelistet.
Die wichtigsten Punkte:
- Fenster: z.B. die Baualtersklasse 1984 bis 1994 hat bei Holzfenstern mit zwei Scheiben einen U-Wert von $2.7 \frac{W}{m^2 \cdot K}$.
- Rolläden: z.B. $3.6 \frac{W}{m^2 \cdot K}$
- Außenwände / Decke: z.B. $0.6 \frac{W}{m^2 \cdot K}$
Angenommen der Raum hat ein Fenster mit den Maßen 1.10m × 1.20m. Dabei messe ich die Nische, nicht nur das Glas. Der U-Wert gilt für das Bauteil insgesamt. Manchmal sieht man auch $U_W$ (w für window, also Fenster) und $U_G$ (g für glass, also das Fensterglas). Der $U_W$-Wert bezieht sich auf das ganze Bauteil.
Dann habe ich nur für das Fenster einen Wärmeverlust von $2.7\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot K} \cdot (1.1\text{m} \cdot 1.2\text{m}) \cdot (22 - (-13))K \approx 125 \text{W}$.
Die Rolladenfläche kann man einfach mit 10% der Fensterfläche annehmen. Dafür gibt es dann $3.6 \cdot 0.132 \cdot 35 \text{W} \approx 17\text{W}$.
Angenommen zwei Wände sind Außenwände. Interessant ist die Fläche von außen und nicht von Innen. Wir können aber die Innenfläche berechnen und +25% addieren, also:
$0.6 \cdot (2.45 \cdot (4 + 3)) \cdot 1.25 \cdot 35 \text{W} \approx 450 \text{W}$.
Jetzt nehmen wir auch mal an, das sowohl das Geschoss darunter als auch das Geschoss darüber beheizt sind. Dann sind wir hier fertig.
Wir kommen also auf Transimissionsverluste von $125 + 17 + 450 \text{W} = 592 \text{W}$.
Die Leistung von Heizkörpern
DIN EN 442 (Radiatoren und Konvektoren) gibt an welche Leistung verschiedene Heizkörper haben. Ich habe die Norm nicht gelesen, habe aber Auszüge davon gesehen.
Als erstes muss man die Maße (Breite × Höhe) des Heizkörpers bestimmen. Dann braucht man den Heizkörper-Typ. Dieser besteht aus zwei Ziffern:
- Erste Ziffer: Anzahl der Platten, durch die Wasser fließt. Entweder 1, 2 oder 3.
- Zweite Ziffer: Anzahl der Lamellen. Entweder 0, 1, 2, oder 3.
Das kann man einfach sehen, wenn man den Heizkörper von oben anschaut.
Nun gibt es Tabellen für die einzelnen Typen:
Die Angaben sind nun in der Form (exemplarisch für Typ 22, B80×H60):
- Vorlauf-Temperatur / Rücklauf-Temperatur / Raumtemperatur: Leistung
- 55 °C / 45°C / 20°C: 707 Watt
- 70 °C / 55°C / 20°C: 1128 Watt
- 75 °C / 65°C / 20°C: 1403 Watt
Wenn man also für einen Raum einen Wärmebedarf von 1200 Watt ermittelt hat und man hat nur einen Heizkörper Typ 22 (B80×H60) darin, dann benötigt man eine Vorlauftemperatur von 75°C.
Man kann die Vorlauftemperatur nur für das Gesamtgebäude festlegen. Daher dominiert hier das schwächste Glied.
Weiteres
- https://www.ubakus.de/u-wert-rechner/
- https://www.sbz-monteur.de/gut-zu-wissen/norm-waermeleistung-oder-reale-bedingungen