Heizlast in Passivhäusern

Mit der hohen Energieeffizienz, welche beim Passivhaus erreicht wird, wird der Heizwärmebedarf mit typisch um 10 bis 15 kWh/(m²a) eigentlich völlig unbedeutend in Bezug auf die davon ausgehende Ressourcen- und Umweltbelastung. In einem funktionierenden Passivhaus ist der Verbrauch für Heizung automatisch vernachlässigbar gering – er beträgt nur rund ein Zehntel des sonst üblichen Verbrauches.

Das wurde auch wiederholt in Feldmessungen verifiziert: Nicht nur in der Berechnung, sondern in der praktischen Baunutzung wird diese 90%ige Einsparung tatsächlich erreicht. Dies ist bei Einhaltung der baulichen und technischen Qualitäten des Passivhaus-Standards statistisch gesichert der Fall [AkkP-28]. Entscheidend ist dabei ausschließlich, dass ein funktionierendes Passivhaus erreicht wird. Unter diesen Umständen ist es nicht mehr wichtig, wie hoch die Jahresbedarfswerte im Einzelnen sind, weil der Passivhaus-Standard schon von sich aus einen extrem niedrigen Verbrauch garantiert, der eine dauerhaft ökonomisch und ökologisch vertretbare Versorgung mit der Dienstleistung „behagliche Räume“ sicherstellt. Für die Frage der Funktion der Passivhäuser ist somit wiederum die Heizlast die entscheidende Größe: Über die Zuluft des im Passivhaus eingesetzten Lüftungssystems kann eine gewisse Heizleistung mit sehr geringem Aufwand verteilt werden; dadurch lässt sich das Lüftungssystem in einer doppelten Funktion nutzen und somit die Höhe der erforderlichen Investitionen in die Heizwärmeverteilung begrenzen. Diese Kosteneinsparung finanziert die Maßnahmen zur effizienten Energienutzung mit, u.a. die höheren Investitionskosten einer Wohnungslüftungsanlage. Die ohne bedeutende zusätzliche Kosten durch das Zuluftsystem verteilbare Heizleistung ist aber begrenzt; eine Abschätzung ergibt für normal belegte Wohngebäude eine verfügbare Leistung von ca. 10 W/m² (klimaunabhängig, vgl. Kasten).

Wenn es gelingt, ein Gebäude so zu realisieren, dass die maximale Heizlast diese aus dem Zuluftverteilsystem verfügbare Leistung nicht übersteigt, dann ist es (außer für das Badezimmer) nicht mehr erforderlich, zusätzlich zum Lüftungssystem weitere Heizwärmeverteilungen und Wärmeabgabesysteme vorzusehen. Dies führt wieder zu einer gewissen Vereinfachung der Technik, so dass die gesamten Investitionskosten für die Haustechnik im Passivhaus nicht bedeutend höher liegen müssen als in einem konventionellen Gebäude; höher sind sie i.A. dennoch, da effizientere Wärmeerzeuger, Lüftungswärmerückgewinnung und Solartechnik teurer sind als konventionelle Gebäudetechnik.

Ob die beschriebene funktionale Vereinfachung in einem konkreten Projekt wirklich realisiert werden kann, hängt entscheidend von den im betreffenden Fall tatsächlich auftretenden maximalen Heizleistungen (eben von der Heizlast) ab. Damit wird es für Passivhäuser heute wieder wichtig, die Heizlasten zuverlässig im Voraus zu bestimmen. Mit Passivhäusern sind die Bauherren wieder in einer Situation wie vor den Ölkrisen, in der zwar eine korrekte Auslegung der Heiztechnik erforderlich, der resultierende Jahresverbrauch aber so gering ist und so niedrige Aufwendungen erfordert, dass er kaum noch interessiert. Deshalb ist es wichtig, ein zuverlässiges Verfahren für die Bestimmung der Heizlast zur Verfügung zu haben.

An dieses Verfahren werden folgende Anforderungen gestellt:

• Die ermittelten Heizlasten müssen „auf der sicheren Seite“ liegen, d.h. die behagliche Beheizbarkeit der so projektierten Häuser muss gewährleistet sein.

• Die ermittelten Heizlasten sollten andererseits keine übermäßigen Sicherheitsreserven enthalten, weil sonst der bauliche und technische Aufwand unangemessen hoch wird und die spezifischen Vorteile der Gebäude mit sehr kleinen Heizlasten nicht zur Geltung kommen.

• Wenn möglich, sollte das Verfahren einfach handhabbar sein, und

• die erforderlichen Randbedingungen für den Auslegungsfall sollten auf einfache Weise verfügbar gemacht werden können. Naheliegend wäre es daher zunächst, die vorhandenen Normen zur Ermittlung der Raumheizlast [EN 12831] einzusetzen. Es zeigte sich aber in der Praxis sehr schnell, dass das dort normierte Verfahren bei hocheffizienten Gebäuden wie dem Passivhaus zu extrem überdimensionierten Auslegungen führt. Die Ursachen dafür sind (neben im Grundsatz leicht änderbaren „Besonderheiten“, die nicht das Verfahren, aber seltsam gewählte Zusatzbedingungen betreffen, wie beispielsweise, dass U-Werte von Außenbauteilen immer mit mindestens 0.3 W/(m²K) angesetzt werden müssen):

• Innere Wärmequellen und die gerade bei sehr tiefen Außentemperaturen bedeutenden solaren Energiebeiträge werden in der Norm nur unzureichend berücksichtigt. Gerade bei Gebäuden mit sehr geringer Heizlast spielen diese freien Wärmen jedoch auch im Auslegungsfall eine bedeutende Rolle. „Keine inneren Lasten“ gibt es nur, wenn auch keine Nutzer anwesend sind und damit auch nur geringere Anforderungen zu stellen sind. Sind Nutzer anwesend, die Komfortansprüche erheben, so gibt es regelmäßig auch innere Wärmequellen; möglicherweise in geringer Höhe, aber nicht mit dem Ansatz „Null“. Das bedingt gerade bei Gebäuden mit guter Dämmung einen entscheidenden Unterschied.

• Gebäude mit sehr kleinen Heizlasten haben regelmäßig sehr hohe Gebäudezeitkonstanten (mehr als 5 und bis über 30 Tage). Dadurch werden kurzzeitige extreme Wetterbedingungen für das Passivhaus unbedeutend (das Gebäude geht praktisch darüber hinweg) und die Auslegungsparameter beziehen sich eher auf längere Zeitperioden. Diese Tatsache war auch den Verfassern älterer Normwerke (wie DIN 4701) bereits bekannt, wurde aber nicht auf Gebäude mit sehr langen Zeitkonstanten ausgedehnt und schließlich sogar in der neueren Normung gar nicht mehr berücksichtigt.

• Die raumweise Ermittlung der Heizlast ist schon bei konventionellen Gebäuden mit hohen Unsicherheiten behaftet, die daraus resultieren, dass schon bei relativ kleinen Temperaturdifferenzen zwischen den Räumen die inneren Wärmeströme bedeutender sein können als die Wärmeverluste nach außen. Dieser Effekt verstärkt sich im Passivhaus noch entscheidend. Aus diesem Grund macht die raumweise Ermittlung der Heizlast in Passivhäusern in der Regel keinen Sinn; eine wohnungs- oder gebäudeweise Berechnung ist zuverlässiger und in der Regel ausreichend. Genauere Untersuchungen dazu finden sich in [AkkP 25].

• Der in der Heizlastberechnung übliche Bezug auf das Innenmaß der Raumumfassungsflächen vernachlässigt Wärmebrückenwirkungen in unzulässiger Weise und liegt außerdem quer zur gesamten übrigen üblichen Verfahrensweise, in der sich inzwischen überall die Verwendung der Außenmaße durchgesetzt hat.

Probleme bei der Berechnung der Heizlast für sehr gut wärmegedämmte Gebäude
Die Praxis zeigte, dass die in wissenschaftlich begleiteten Projekten tatsächlich gemessenen Heizleistungen in sehr gut wärmegedämmten Gebäuden eine obere Leistungsbegrenzung aufweisen, die auch bei extrem niedrigen Außentemperaturen viel niedriger liegt als die Auslegungsleistung nach der herkömmlichen Normung [DIN 4701]. Erstmals publiziert wurde dies in [Feist/Werner 1993] an Hand von gemessenen täglichen Heizwärmeverbrauchswerten im Passivhaus Darmstadt-Kranichstein. Die gemessenen tagesmittleren Heizlasten „knicken“ nach diesen Ergebnissen unterhalb von Tagesmitteltemperaturen von ca. 0 °C in einen waagrechten Verlauf ab. Dieser Zusammenhang wurde in [Feist/Werner 1993] korrekt durch solare Energiebeiträge in den kälteren Wetterperioden erklärt und in [Feist 2005] ausführlicher diskutiert. Damit stand fest, dass eine Vernachlässigung der Solarbeiträge bei der Heizlastberechnung insbesondere in sehr gut wärmegedämmten Gebäuden keine korrekten Ergebnisse mehr erbringen kann.

Es war daher erforderlich, einen gegenüber den eingeführten Verfahren verbesserten Algorithmus für die Heizlastbestimmung zu entwickeln. Methodisch einwandfrei ist dabei immer eine instationäre Simulation des thermischen Verhaltens des Gebäudes. Damit lassen sich nicht nur die Heizlasten, sondern auch die Jahresbedarfswerte zuverlässig ermitteln. In [Feist/Loga 1997] und [Kaufmann/Feist 2001] wurde die Validität solcher instationärer Modellrechnungen im Vergleich zu Messwerten überprüft – anhand des Zeitverlaufs von Raum-, Oberflächen- und Bauteiltemperaturen. Diese Untersuchungen zeigten, dass sich bei korrekter Modellbildung eine sehr gute Übereinstimmung von Mess- und Simulationswerten ergibt. Es ist daher zulässig, grundsätzliche Untersuchungen mit dem Instrumentarium der thermischen Gebäudesimulation durchzuführen. Selbstverständlich müssen die Ergebnisse aber vor allem dann, wenn sie von der herkömmlichen Auffassung abweichen, auch experimentell überprüft werden. Der entscheidende Nachteil der Verwendung von instationärer thermischer Gebäudesimulation ist die hohe Komplexität der zugrunde liegenden Modelle. Abgesehen vom hohen Arbeitsaufwand für die Erstellung und Auswertung solcher Simulationsrechnungen resultiert hieraus eine vergleichsweise große Fehleranfälligkeit: Die Zahl der in das Simulationsmodell eingehenden Parameter ist sehr groß und damit steigen auch die potentiellen Fehlerquellen bei der Erstellung der Modelle. Es war daher wünschenswert, auch für die Bestimmung der Heizlast wieder ein vergleichbar einfaches Verfahren verfügbar zu haben, wie es mit dem Monatsverfahren aus ISO 13790 bereits für die Ermittlung des Jahresheizwärme- und kühlbedarfes vorliegt.

Entwicklung des Berechnungsmodells
Diese Aufgabenstellung wurde vom Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser angegangen und in Kooperation mit der Universität Stuttgart (Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik) sowie dem Ingenieurbüro ebök gelöst. Die entscheidenden Ansätze sind in der Diplomarbeit von Carsten Bisanz mit dem instationären Modell DYNBIL untersucht worden [Bisanz 1999]. Das in dieser Kooperation entwickelte Verfahren beruht in den Grundzügen auf Energiebilanzen nach dem Schema der DIN EN 832, allerdings mit Randbedingungen, welche nicht Jahres- oder Monatsdaten, sondern die Auslegungszeiträume des betreffenden Klimas berücksichtigen. Als entscheidend hat sich herausgestellt, dass eine Auslegung mit mindestens zwei unterschiedlichen Auslegungsdatensätzen erfolgen muss, nämlich einer „kalten und strahlungsreichen Auslegungsperiode“ und mit einer „mäßig kalten und strahlungsarmen Auslegungsperiode“. A priori steht nämlich gerade bei Gebäuden mit sehr geringem Wärmebedarf nicht fest, ob das Maximum der Heizlast tatsächlich in den extrem kalten Perioden oder aber während eines stark bewölkten, jedoch nur mäßig kalten Zeitraumes vorliegt. Die betreffenden Auslegungsrandbedingungen müssen für jedes Klima funktional mit Hilfe von dynamischen Gebäudesimulationen an Hand von Testdatensätzen ermittelt werden. In [Bisanz 1999] ist dies für die deutschen Testreferenzjahre ausgeführt worden und es erfolgte eine erste theoretische Validierung des Verfahrens mit Hilfe von Simulationsrechnungen.

Das in [Bisanz 1999] entwickelte Verfahren erfüllt die Anforderungen nach Einfachheit und einfacher Verfügbarkeit der zugehörigen Randbedingungen. Daher wurde das Verfahren sowie ausgewählte Randbedingungen versuchsweise bereits 1999 in die zweite Auflage des Passivhaus Projektierungspakets [PHPP 1999] übernommen. Das Verfahren stand zum damaligen Zeitpunkt noch unter dem Vorbehalt der Praxisbewährung, wurde jedoch ab 1999 in einigen tausend Passivhausprojekten angewendet.

Im Rahmen des Forschungsprojekts IEA SHC TASK 28 / ECBCS ANNEX 38 wurden Objekte mit insgesamt weit über 200 Wohneinheiten mit Passivhaus-Standard durch wissenschaftlich fundierte messtechnische Begleituntersuchungen detaillierte, zeitlich aufgelöste Daten zum Temperaturverhalten und Heizwärmeverbrauch erhoben [Feist 2005]. Diese Daten sind in unterschiedlichen Auswertestudien bereits unter verschiedenen Gesichtspunkten analysiert worden: Heizwärmeverbrauch, übrige Energieverbrauchswerte, thermische Behaglichkeitsparameter und auch mittlere und maximale Heizleistungen. Ein Teil dieser Daten stand am Passivhaus Institut (PHI) für weitergehende Analysen zur Verfügung, für einen weiteren Teil hat das Institut die Überlassung von Daten von anderen Forschungseinrichtungen erbeten; für die Zustimmung zur Verwendung in der hier vorliegenden Analyse sei den Beteiligten dabei ausdrücklich gedankt. Die zentrale Aufgabenstellung der hier vorgelegten Untersuchung ist die Überprüfung des Heizlast-Verfahrens aus [Bisanz 1999] an Hand dieser in den Feldprojekten gesammelten Messdaten und gegebenenfalls die Modifizierung des Verfahrens.

Feldmessergebnisse
Wie sich zeigen wird, führen die Feldmessergebnisse zu einer einheitlichen Bewertung:

• Die mit Qualitätssicherung gebauten Passivhäuser weisen nicht nur tatsächlich die extrem geringen Jahresheizwärmeverbrauchswerte auf, die mittels Simulation und/oder Bilanzverfahren im Voraus bestimmt worden waren, sondern für ihre Beheizung reichen auch die extrem niedrigen Heizleistungen aus, die sich aus der funktionalen Auslegung ergeben.

• Die Tatsache, dass innere Wärmequellen und passiv solare Gewinne auch bei der Heizlastberechnung, insbesondere bei Objekten mit gutem Wärmeschutz, berücksichtigt werden müssen, kann auf Basis der Messwerte bestätigt werden.

• An Hand gemessener Temperatur- und Heizlastverläufe in ganz besonders gelagerten Einzelfällen (z.B. Winterabwesenheit mit Heizungsabschaltung in einer Wohnung) kann auch das Verhalten in zuvor theoretisch behandelten Sondersituationen nun messtechnisch validiert werden. Auch diese Untersuchungen bestätigen die Simulation.

• Aus den Fallstudien und der Simulation ergibt sich eine hohe Temperaturstabilität von Gebäuden mit sehr gutem Wärmeschutz, insbesondere von Passivhäusern. Dies erhöht die Fehlertoleranz sowohl gegenüber Extremereignissen („Jahrhundertwinter“) als auch gegenüber Auslegungsfehlern. Natürlich muss diese Erkenntnis sehr vorsichtig gehandhabt werden: Überschreiten die kumulierten Fehler eine bestimmte Schwelle, so geht neben dem Passivhaus-Standard auch die Gutmütigkeit dieses Standards verloren und die Fehler wirken sich dann umso massiver aus. Daher ist dazu zu raten, die Planungsaufgabe und Qualitätssicherung besonders ernst zu nehmen und die aus einem korrekt geplanten und gebauten Passivhaus resultierende Toleranz für die bessere Behaglichkeit und die Handlungsfreiheit der Bewohner zu nutzen.

• Die zentrale Fragestellung dieser Studie betreffend: Die Berechnungsansätze nach dem in [Bisanz 1999] publizierten Verfahren haben sich in allen untersuchten Objekten sehr gut bewährt. Das Verfahren ist damit einem besonderen Härtetest unterzogen worden, denn gerade in Passivhäusern mit ihren extrem geringen Heizlasten ist die Empfindlichkeit gegenüber Einflussgrößen wie der Solarstrahlung besonders groß. Nur in solchen Gebäuden kann man daher ein solches Verfahren überhaupt mit Aussicht auf Erfolg testen, weil bei Objekten mit hohen Heizlasten Einflüsse dieser Größenordnung von anderen Effekten meist überdeckt werden.

Die vorliegende Untersuchung ist ein Beispiel dafür, wie sorgfältig durchgeführte Feldmessungen in Verbindung mit einer wissenschaftlich fundierten Auswertung für die Praxis hilfreiche Ergebnisse liefern. Solche Ergebnisse sind statistisch gesichert und gehen über die heute oft anzutreffenden Einschätzungen „aus dem Bauch heraus“ hinaus. Die Ergebnisse können dennoch in einfach vom Praktiker zu handhabende Verfahren übertragen werden und erleichtern so deren Arbeit.

See also: Forschungsprojekts IEA SHC TASK 28 / ECBCS ANNEX 38

Auch neuere Arbeiten können die geringen Heizlasten in Passivhäusern empirisch bestätigen, etwa [Hasper 2021].

[Feist 2005] Feist, W.: Heizlast in Passivhäusern – Validierung durch Messungen. Endbericht. IEA SHC TASK 28 / ECBCS ANNEX 38. Passivhaus Institut, Darmstadt 2005

[AkkP-28] Wärmeübergabe- und Verteilverluste im Passivhaus; Protokollband Nr. 28 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser Phase III; Passivhaus Institut; Darmstadt 2004

[DIN EN 12831] DIN EN 12831: Heizungssysteme in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast Deutsche Fassung EN 12831; Beuth Verlag; Berlin

[AkkP-25] Temperaturdifferenzierung in der Wohnung; Protokollband Nr. 25 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser Phase III; Passivhaus Institut; Darmstadt 2004

[DIN 4701] Deutsches Institut für Normung: DIN 4701: Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden; Beuth Verlag; Berlin 1995

[Feist/Werner 1993] Feist, W. und Werner, J.: Erste Messergebnisse aus dem Passivhaus Darmstadt Kranichstein; gi 114 (1993) Heft 5 Seite 240 ff

[Feist/Loga 1997] Feist, W. und Loga, T.: Vergleich von Messung und Simulation. In: Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser, Protokollband Nr. 5, Passivhaus Institut, Darmstadt 1997

[Hasper 2021] Hasper, W., Peper, S.: Betriebsoptimierung Bahnstadt Heidelberg, Durchgeführt im Auftrag des Amts für Umweltschutz, Gewerbeaufsicht und Energie Heidelberg 2019-2021, Passivhaus Institut, Darmstadt 2021

[Kaufmann/Feist 2001] Kaufmann, B. und Feist, W.: Vergleich von Messung und Simulation am Beispiel eines Passivhauses in Hannover-Kronsberg. CEPHEUS-Projektinfornation Nr. 21, Passivhaus Institut, enercity, Hannover 2001

[Bisanz 1999] Bisanz, C.: Heizlastauslegung im Niedrigenergie- und Passivhaus, 1. Auflage, Darmstadt, Januar 1999

[PHPP 1999] Feist, W.; Baffia, E. und Schnieders, J.: Passivhaus Projektierungspaket 1999; Passivhaus Institut, Darmstadt, Januar 1999