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Interne Wärmequellen in Abhängigkeit von der Wohnfläche

Neufassung der Standardansätze für interne Wärmequellen von Wohngebäuden für das PHPP 9

Auf der 18. Passivhaus Tagung in Aachen legten Nick Grant und Alan Clarke ein Konzept für neue Standardwerte der internen Wärmequellen (IWQ) von Wohngebäuden vor [Grant 2014]. Sie stellten für Großbritannien fest, dass bei kleineren Wohneinheiten (WE) im Durchschnitt höhere Belegungsdichten herrschen, was dazu führt, dass nicht nur die Personenabwärme, sondern auch die – zum Teil an die Personenzahl gekoppelte – Abwärme von Stromanwendungen flächenbezogen zunimmt.

Ausgehend von diesen Überlegungen wird nachfolgend ein Ansatz für Personenbelegung und interne Wärmequellen entwickelt, der im PHPP 9 (2015) als Standardwert für Wohngebäude verwendet wird. Die Berechnungen erfolgten auf Grundlage des PHPP 8, es wurden jedoch einige Ergänzungen vorgenommen, z.B. eine getrennte Berücksichtigung von Kalt- und Warmwasser. Nutzungsfaktoren und Häufigkeiten sind aus dem PHPP-Blatt IWQ übernommen.

Vorab ist anzumerken, dass die Schwankungsbreite der Personenbelegung und der IWQ zwischen verschiedenen Wohnungen auch bei identischer Wohnungsgröße erheblich ist. In der Regel wird sich außerdem die Nutzungsintensität während der Lebensdauer des Gebäudes verändern. Beim hier dargestellten Modell kann es sich daher nur um Schätzungen für Mittelwerte über die Lebensdauer des Gebäudes handeln, die im Einzelfall über- oder unterschritten werden. Gleichwohl sind solche Standardwerte für die Planungspraxis unerlässlich. Eine zusätzliche Überprüfung der Auslegung anhand anderer Ansätze (z.B. bei konkret bekannter Personenbelegung, Geräteausstattung etc.) ist selbstverständlich immer möglich.


1 Personenbelegung in Abhängigkeit von der Wohnfläche

Die mittlere Belegungsdichte einer Wohnung hängt von der Größe der Wohneinheit ab. Für Deutschland liegen hierzu in [Zensus 2011] Daten vor, aus denen sich der Mittelwert der Personen pro Wohneinheit (genauer: der Personen, die in dieser Wohnung ihren Wohnsitz haben; zeitweise Abwesenheit wird erst später berücksichtigt) als Funktion der Wohnungsgröße errechnen lässt. Ein sehr guter Fit an diese Daten ist möglich mit einer Funktion der Form

\begin{eqnarray*}
& &  n=1+a(1-e^{-b(A-c)}^{2})+dA\;
\end{eqnarray*}

Darin sind
n: Anzahl Personen pro WE
A: Wohnfläche pro WE
a,b,c,d: Fitparameter

Die folgende Grafik zeigt diese Abhängigkeit im Vergleich zu einem Fit an ähnliche Daten aus Großbritannien nach Henderson, wie er in [Grant 2014] angegeben ist. Die mittlere Belegungsdichte in Großbritannien ist bei kleineren Wohnungen um bis zu 20% höher, bei großen Wohnungen verschwindet dieser Unterschied. Die Unterschiede zwischen Deutschland und Großbritannien liegen in der Größenordnung üblicher statistischer Genauigkeiten. Vergleichbare statistische Daten aus anderen Ländern standen leider nicht zur Verfügung. Im Folgenden wie auch im PHPP 9 verwenden wir die Daten aus Deutschland.

Abbildung 1: Mittlere Personenbelegung in Abhängigkeit von der Wohnungsgröße




























2 Tatsächlicher Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Haushaltsgröße

Die Energieagentur NRW hat auf Grundlage von 300.000 detaillierten Selbstauskünften auf einer Internetseite die Aufteilung des Stromverbrauchs in Wohnungen abgeschätzt [NRW 2011]. Obwohl diese Ergebnisse nicht repräsentativ sind, ist eine Auswertung aufgrund der großen Stichprobe und des hohen Detaillierungsgrades von Interesse.

Aus den Messungen ergeben sich die Beiträge einzelner Stromverbraucher in Abhängigkeit von der Zahl der Personen pro Haushalt. Aufgegliedert nach Haushalten mit und ohne Warmwasserbereitung sind sie in der folgenden Grafik dargestellt. An die Daten lässt sich jeweils eine Gerade anpassen, aus der man einen wohnungs- und einen personenabhängigen Anteil des Verbrauchs erhält.

Abbildung 2: Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Zahl der Personen pro Wohnung nach [NRW 2011]

Damit wird es möglich, aus diesen Daten die einzelnen Beiträge entsprechend der Systematik des PHPP abzuleiten. Das ist von Bedeutung, weil nicht der gesamte Stromverbrauch als interner Wärmegewinn angerechnet werden kann; die je nach Verbraucher unterschiedliche Verfügbarkeit der Abwärme muss berücksichtigt werden. Führt man dies durch und verrechnet die Ergebnisse mit der typischen deutschen Belegungsdichte aus Abschnitt 2, so ergibt sich für diese Stichprobe folgender Zusammenhang von Wohnungsgröße und internen Wärmegewinnen:

Abbildung 3: Wohnflächenabhängige IWQ, berechnet auf Basis von [NRW 2011]


















Das PHI weist darauf hin, dass es keinesfalls zulässig ist, derart hohe Werte für die Planung von Passivhäusern zu verwenden. Dafür gibt es mehrere Gründe: Zum einen muss und wird gerade bei Passivhäusern auf hohe Effizienz auch bei den Stromverbrauchern geachtet. Planerisch leicht beeinflussen lässt sich z.B. der Hilfsstromverbrauch, der in der Stichprobe [NRW 2011] noch ziemlich hoch ausfällt. Vor allem aber findet derzeit eine deutliche Effizienzverbesserung bei Haushaltsgeräten und Beleuchtung statt, wie man auch Abbildung 4 entnehmen kann. Bedingt durch den turnusmäßigen Ersatz von Altgeräten werden die technische Weiterentwicklung und die Ökodesign-Richtlinie der EU im Laufe der kommenden Jahre den Stromverbrauch der Haushalte weiter reduzieren. Die Daten aus [NRW 2011], die den Gerätebestand in den vorhergehenden Jahren abbilden, erlauben daher nur begrenzte Aussagen über den Stromverbrauch während der Lebensdauer des Gebäudes – dieser ist es aber, der relevant für die Auslegung und Bewertung ist.

Abbildung 4: Beispiel für Effizienzverbesserungen bei am Markt verkauften Haushaltsgeräten [EEA 2015]























Nachfolgend werden daher Ansätze für die einzelnen Beiträge zu den internen Wärmegewinnen effizienter Elektrogeräteausstattungen in Passivhäusern abge¬leitet, aus denen sich dann die Standardwerte der IWQ bei Wohnnutzung ergeben. Die in Abbildung 3 errechneten hohen Werte gerade bei kleinen Wohnungen legen es jedoch nahe, bei der Planung des Sommerfalls Sensitivitätsanalysen mit erhöhten IWQ durchzuführen.


3 Ansatz für Haushaltsgeräte

Von den Haushaltsgeräten aus der unten stehenden Liste wurde jeweils 1 Stück pro Wohneinheit angesetzt. Es wurden die bezüglich Energieeffizienz marktbesten Geräte ausgewählt, basierend auf [Spargeräte 2014] sowie [Ecotopten 2014]. In den mit * bezeichneten Fällen wurde der angegebene Verbrauch mit 1,5 multipliziert, um Standbyverluste und mögliche Optimierungen der Geräte auf den Prüfzyklus (Prüfung im Eco-Programm, üblicher Betrieb im Automatik-Programm etc.) auszugleichen.

  • ListenpunktSpülmaschine mit Kaltwasseranschluss, A+++, 0,69* kWh pro Spülgang
  • ListenpunktWaschmaschine mit Kaltwasseranschluss, A+++, 0,66* kWh pro Waschgang
  • ListenpunktWärmepumpen-Wäschetrockner, 1,0 kWh pro Nutzung bei 7 kg,
  • ListenpunktKühl-Gefrier-Kombination, A+++, Tischgeräte (120 l) und Standgeräte (280 l) verbrauchen gleich viel, 150 kWh/a
  • ListenpunktInduktionsherd, 0,2 kWh pro Anwendung


4 Ansatz für sonstige Stromanwendungen

Hier ist zu berücksichtigen, dass sich in den letzten Jahren vor allem im Bereich Unterhaltungselektronik und Computer ein gegenüber den ursprünglichen Ansätzen im PHPP erhöhter Stromverbrauch eingestellt hat. Gleichzeitig antizipieren wir aber künftige Effizienzverbesserungen. Der Ansatz für Elektronik im PHPP wird von 80 auf 250 W pro Person bei 550 Volllaststunden pro Jahr vergrößert. Der personenabhängige Anteil bleibt damit noch unter den Daten aus NRW (dort 340 W/P bei 550h/a). Der personenunabhängige Anteil von kontinuierlich 56 W/Wohneinheit aus den NRW-Daten wird nicht berücksichtigt. Hierbei handelt es sich um Standbyverluste für Telefon, Router etc. Es ist zu erwarten, dass dieser Anteil in den nächsten Jahren aufgrund gesetzlicher Vorgaben deutlich kleiner werden wird, zumal die typischen Standby-Verluste von heute standardmäßig am Markt gehandelten Netzgeräten bereits deutlich unter 1 W liegen, für viele Geräte gibt es hierzu bereits gesetzliche Vorgaben. Somit entstehen folgende Wärmequellen pro Person:

  • Beleuchtung mit 100% Energiesparlampen (dabei sind sowohl Leuchtstofflampen als auch Leuchtdioden möglich; ältere Messungen enthalten noch einen großen Anteil Glühlampen)
  • Elektronik etc. 250 W während 550 Stunden pro Person und Jahr
  • Kleingeräte 50 kWh pro Person und Jahr (PHPP-Vorgabewert wie bisher)


5 Hilfsstrom

Hilfsstromverbräuche hängen stark von den verwendeten Systemen ab. Für den Standardfall wurde eine Fußbodenheizung (optimiert für eine elektrische Versorgung mit einer effizienten Wärmepumpe, erlaubt ggf. auch die einfache tageszeitliche Speicherung erneuerbarer Energien) in Verbindung mit einem optimierten Warmwasser-Zirkulationssystem (Warmwasserspeicher zur Netzentlastung, 60 °C) angesetzt. Damit ergibt sich die Wärmeabgabe der Hilfsstromverbraucher wie folgt.

  • Heizungsumwälzpumpe, bei hydraulischem Abgleich reichen im Passivhaus auch bei geringer Temperaturspreizung 10 W/100 m² aus. Es wird eine geregelte Pumpe angesetzt.
  • Warmwasserzirkulation 5 W pro Wohneinheit, Betriebsdauer 24 h/d
  • WW-Speicherladepumpe 1 W pro Person, Betriebsdauer 24 h/d (die Wärmepumpe arbeitet kontinuierlich, aber die Abwärme der Speicherladepumpe kommt überwiegend dem Warmwasser zu Gute)
  • Primärseitige Pumpen und Ventilatoren der Wärmepumpe werden nicht als IWQ angerechnet, sie geben ihre Abwärme an die Außenluft ab.
  • Keine thermische Solaranlage berücksichtigt
  • Der Stromverbrauch für die Lüftungsanlage ist bereits im Wärmebereitstellungsgrad berücksichtigt, eine nochmalige Zählung als IWQ wäre nicht korrekt.


6 Personen

Sensible Wärmeabgabe pro Person 80 W, Anwesenheit 55% gemäß Vorgabe PHPP

7 Kaltwasser

Das im Gebäude verbrauchte Kaltwasser nimmt Wärme aus dem Raum auf, da es sich vor der eigentlichen Nutzung eine gewisse Zeit in Leitungen und Toilettenspülkästen befindet. Um diesen Wärmeentzug zu ermitteln, muss zunächst die verbrauchte Kaltwassermenge bestimmt werden.

Der gesamte Wasserverbrauch von Haushalten und Kleinverbrauchern in Europa liegt bei durchschnittlich 110 l/Pers/d [Schnieders 2014]. Häusliche Regenwassernutzung dürfte darin noch nicht enthalten sein, wird nachfolgend jedoch vernachlässigt. Zieht man 35 l/Pers/d Warmwasser bei 45 °C (hier wird u.U. Kaltwasser beigemischt, dieses wird aber vom Raum her zumindest beim Duschen und Baden nicht relevant erwärmt, weil es nur zu einem kleinen Anteil längere Zeit in den Leitungen steht) und 5 l/Pers/d für außerhäusliche Anwendungen (Garten, Autowaschen u.ä.) ab, so verbleiben 70 l/Pers/d.

Berücksichtigt man, dass Kaltwasserzapfungen und insbesondere Toilettenspülungen morgens und abends konzentriert hintereinander erfolgen, kann man aus Abbildung 5 konservativ folgern, dass dieses Kaltwasser sich vor Verwendung um ca. 50% der Differenz zwischen Kaltwasser- und Raumtemperatur erwärmt (im Beispiel wäre das von 9,5 auf 16 °C bei 22 °C Raumtemperatur). Für Deutschland ergibt sich daraus eine Wärmeabfuhr von 20 W Dauerleistung im Durchschnitt pro Person.

Abbildung 5: Beispiel für den Temperaturverlauf in einem Toilettenspülkasten bei weitgehend konstanter Raumtemperatur

























8 Warmwasser

Es wird ein Referenz-Warmwassersystem angesetzt, das für ein Mehrfamilienhaus geeignet ist (vgl. auch Abschnitt 6). In kleinen Gebäuden wird man kleinere Speicher vorfinden, d.h. höhere Speicherverluste pro Person, dafür wird man dort aber oft ohne Warmwasser-Zirkulation auskommen. Diese Einflüsse kompensieren sich näherungsweise; auf eine separate Betrachtung für kleine Einfamilienhäuser wird daher verzichtet.

8.1 Zirkulation

Die Zirkulation wird bis in jede Wohnung verlegt, innerhalb der Wohnung wird mit Stichleitungen weiterverteilt. Sind die Zapfstellen günstig angeordnet, sollte man mit einem Meter Zirkulationsleitung je 10 m² Wohnfläche auskommen (Rücklauf enthalten). Ψ beträgt 0,14 W/(mK), das ist bei guter Ausführung (Dämmung 2 DN, wärmegedämmte Armaturen und Schellen) ohne weiteres erreichbar und ökonomisch sinnvoll.

8.2 Stichleitungen

Die Stichleitungen sind in jeder Wohnung insgesamt 20 m lang und besitzen einen Rohrdurchmesser (außen) von 16 mm. Damit enthalten sie 2 l Wasser, die Anforderungen an den Legionellenschutz sind erfüllt. Es wird wie im PHPP üblich von 3 Zapfungen pro Person und Tag aus jeder Zapfstelle ausgegangen.

8.3 Speicher

Große Warmwasserspeicher können bei guter Qualität und korrekter Installation pro 1000 l Speichervolumen mit 2 W/K auskommen, bei 60 °C Speichertemperatur sind das 80 W Wärmeverlust. Stellt man pro Person 100 l Speichervolumen zur Verfügung (künftige Nutzung kostengünstigen Solarstroms!), betragen die Speicherverluste demnach 8 W pro Person.


9 Verdunstung

Der PHPP-Standardwert für die Verdunstung aus Handtüchern, Topfpflanzen, nasser Kleidung etc. beträgt -25 W pro Person. Das entspricht einer Wassermenge von 0,85 l pro Person und Tag. Dieser Wert wurde nicht verändert.


10 Länderabhängigkeit

Es ist möglich, dass sich die mittleren IWQ von Land zu Land aus einer Vielzahl von Gründen unterscheiden. Mögliche Einflussgrößen werden in diesem Abschnitt kurz diskutiert.

10.1 Belegungsdichte

Eine höhere Belegungsdichte als in Deutschland findet man in vielen Ländern mit geringerem Pro-Kopf-Einkommen (vgl. auch [Grant 2014a]). Diese hat jedoch nur begrenzten Einfluss auf die Wärmeabgabe. In [Schnieders 2014] konnte im Vergleich von 10 europäischen Ländern, darunter auch solche in Osteuropa, keinerlei Korrelation zwischen der mittleren Wohnfläche pro Person und dem Stromverbrauch pro Quadratmeter festgestellt werden (r² < 0,1).

Im Modell ändert sich daher bei höherer oder niedrigerer mittlerer Belegungsdichte in einem Land die Wärmeabgabe der Haushaltsgeräte nicht. Die Wärmeverluste der Warmwasser-Zirkulationsleitungen sind unabhängig von der Personenzahl. Die Einzelleitungs- und Speicherverluste hängen zwar im Prinzip von der Personenbelegung ab, aber in komplizierter Weise: Zapfen viele Personen kurz hintereinander an einer Einzelleitung, wachsen die Einzelleitungsverluste kaum. Die Wärmeverluste von Warmwasserspeichern hängen in der Praxis kaum von der Speichergröße ab, sondern von anderen Parametern wie etwa der Ausbildung der Anschlüsse und Speicherfüße. Pragmatisch können die Einflüsse der länderspezifischen mittleren Personenbelegung auf die Wärmeabgabe des Warmwassersystems daher vernachlässigt werden. Die auf Dauer ausgleichend wirkende ökonomische Entwicklung in der EU und die überall zu geringeren Dichten führende demographische Entwicklung werden ein Übriges dazu beitragen, die geringen Unterschiede mit der Zeit verschwinden zu lassen.

Die von den Personen selbst abgegebene Wärmemenge dürfte dagegen etwa proportional zur Zahl der Personen sein; einen Unsicherheitsfaktor stellt hier nur noch die Anwesenheit dar, die in dicht belegten Wohnungen tendenziell geringer sein wird, die aber auch kulturell und klimatisch beeinflusst ist. Bis auf Weiteres werden unterschiedliche länderspezifische Personenbelegungen im PHPP nicht berücksichtigt. Bei Personenbelegungen, die sich erheblich von den Werten aus Mitteleuropa (30-50 m² pro Person) unterscheiden, sind jedoch künftige Anpassungen denkbar.

10.2 Kaltwassertemperatur

Die je nach Klima unterschiedlichen Kaltwassertemperaturen führen zu deutlichen Unterschieden in den Kaltwasserverlusten. Die Kaltwasserverluste machen allerdings nur etwa 20% der IWQ aus, in den pauschalen Ansätzen wird ihre Standort-Abhängigkeit daher nicht berücksichtigt, um das Verfahren einfach zu halten.


11 Ergebnis: wohnungsgrößenabhängiger Ansatz der IWQ im PHPP 9

Der grundsätzlich bewährte Standardansatz für die IWQ von 2,1 W/m² im Winter wird auf Grundlage des oben beschriebenen Modells modifiziert: Der Standardwert variiert in Abhängigkeit von der mittleren Wohnfläche pro WE entsprechend der grauen Linie in Abbildung 6. Diese Linie folgt der Funktion

\begin{eqnarray*}
& & IWQ=2,1 \frac{W}{m^2}+\frac{50}{A_{WE}} \;
\end{eqnarray*}

Sie verläuft etwas flacher als die nach dem oben beschriebenen Modell berechneten IWQ (orangefarbene Linie in Abbildung 6)). IWQ oberhalb des PHPP-Standardwerts für Heime von 4,1 W/m², wie sie sich für Wohneinheiten mit weniger als 20 m² Wohnfläche ergeben würden, werden nicht angerechnet. Ob die getroffenen Annahmen in solch kleinen Wohnungen noch korrekt sind (sämtliche üblichen Haushaltsgeräte vorhanden und innerhalb der thermischen Hülle? Anwesenheit der Personen ähnlich wie in größeren Wohneinheiten? Berechnung der Warmwasserverluste noch sinnvoll?), bedarf noch näherer Untersuchungen.

Abbildung 6: Wohnflächenabhängige IWQ, wie sie im PHPP 9 verwendet werden



















Weitere Modifikationen unterbleiben, um das Verfahren so einfach wie möglich zu halten. Angesichts der großen Variabilität der Werte im Einzelfall würde hier ohnehin nur eine Scheingenauigkeit erzeugt. In Abbildung 7 sind die Rechenansätze und die Größenordnung der einzelnen Beiträge noch einmal am Beispiel einer Wohneinheit mit 134 m² Wohnfläche zusammengefasst.

Abbildung 7: Beispiel für die IWQ-Berechnung mit dem vorstehend beschriebenen Modell





































11 Literatur

[Ecotopten 2014] http://ecotopten.de, abgerufen 18.7.2014

[EEA 2015] European Environment Agency, Trends in appliance energy efficiency and ownership in households, EU-27, www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/trends-in-energy-efficiency-and-1, abgerufen 1.6.2015

[Grant 2014] Grant, Nick und Alan Clark: Internal heat gain assumptions in PHPP, 18. Passivhaus Tagung, Aachen, Passivhaus Institut; Darmstadt 2014.

[Grant 2014a] Grant, Nick und Alan Clark: Internal gain assumptions and building size, PPT-Datei zur 18. Passivhaus Tagung, Aachen.

[NRW 2011] http://www.energieagentur.nrw.de/_database/_data/datainfopool/erhebung_wo_bleibt_der_strom.pdf, abgerufen 19.9.14

[Schnieders 2014] Schnieders, Jürgen: Boundary conditions for energy balance calculation, PassREg Deliverable D5.3.2

[Spargeräte 2014] http://www.spargeraete.de, abgerufen 18.7.2014

[Zensus 2011] Zensusdatenbank des Zensus 2011, hier zur Personenbelegung, https://ergebnisse.zensus2011.de/#dynTable:statUnit=WOHNUNG;absRel=ANZAHL;ags=00;agsAxis=X;yAxis=HHGROESS_KLASS,WOHNFLAECHE_20S, , abgerufen 18.7.2014

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