BaltBest: Effizienz von Heizanlagen

Energiewende und Klimaschutz erfordern innovative Lösungen beim Neubau. Doch die Aufgaben liegen im Bestand. Und die Ergebnisse aus dem "BaltBest"-Forschungsprojekt machen deutlich: Schaffen Vermieter Möglichkeiten zur Energieverschwendung, nutzen das die Mieter.

Wohnungsunternehmen befassen sich aktuell in breiter Front mit Klimapfaden und in diesem Zusammenhang mit den CO2-Emissionen ihrer Bestände. Seit dem 1. Januar 2021 ist für Emissionen aus Brennstoffen ein CO2-Preis bei Gebäuden und im Verkehr von 25 Euro pro Tonne CO2 zu zahlen und dieser Preis soll kontinuierlich steigen. Nicht zuletzt aufgrund dieser CO2-Abgabe, die zu einer deutlichen Erhöhung der Heizkosten führen wird, ist es zunehmend auch von großer wirtschaftlicher Bedeutung, sich damit ausein­anderzusetzen.

Die durchschnittlichen CO2-Emissionen für eine mit Erdgas beheizte Wohnung in einem Mehrfamilienhaus liegen bei zirka 2,3 Tonnen pro Jahr. Während die zusätzlichen Kosten in 2021 noch bei 68,42 Euro pro Jahr liegen, steigen diese bis 2025 bereits auf 150,54 Euro pro Jahr an und erhöhen die Heizkosten unter Berücksichtigung der heutigen Energiepreise dann um zirka 22 Prozent. Daher sind Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz und der damit verbundenen Senkung der CO2-Emissionen dringend geboten und in vielen Unternehmen "Chefsache".

Die Allianz für einen klimaneutralen Wohngebäudebestand – ein Zusammenschluss aus Wohnungswirtschaft, Industrieunternehmen, Verbänden und Forschungseinrichtungen – widmet sich aktuell dieser Herausforderung in dem Forschungsprojekt "Einfluss der Betriebsführung auf die Effizienz von Heizungsaltanlagen im Bestand (BaltBest)". Hier stehen für Bestände von sieben Wohnungsunternehmen unter Verwendung der Infrastruktur des Energiedienstleisters Techem Forschern der TU Dresden und der EBZ Business School in Bochum anonymisierte Daten zur Verfügung, die einen tiefen Einblick in die Betriebsführung der Gebäude ermöglichen. Ziel ist es, Verfahren zur verbesserten Betriebsführung zu entwickeln und deren Wirkung auf die Energieeffizienz von Gebäuden zu bewerten.

Es zeigt sich, dass sowohl Vermieter als auch Mieter hier Möglichkeiten haben, die Kostensteigerungen durch die CO2-Abgabe zu verringern oder bestenfalls für die nächsten Jahre zu kompensieren. Dass Effizienzpotenziale bei der Anlagentechnik und dem Nutzerverhalten existieren, wirkt nachvollziehbar. Welche Wechselwirkungen zwischen der Betriebsführung der Heizungsanlage und dem Nutzerverhalten bestehen, gilt es im Folgenden zu verdeutlichen.

Kleiner Exkurs in die Gebäudephysik: Wärmebedarf und Wärmeangebot

Nicht nur Unternehmen, auch Gebäude haben eine Leistungsbilanz. Auf der Einnahmenseite stehen interne Wärmegewinne (Wärmeabgabe der Personen, elektrischer Energieverbrauch) und solare Einstrahlung, auf der Ausgabeseite stehen die Transmissions- und Lüftungsverluste des Gebäudes. Sind die "Einnahmen" kleiner als die "Ausgaben", muss ausgeglichen, also geheizt werden. Dies ist bei unserem Gebäudebestand üblicherweise der Fall, wenn die durchschnittliche Tages-Außentemperatur kleiner als 15 Grad Celsius ist. Das Defizit steigt dann proportional mit der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen an.

Um einer Energieverschwendung vorzubeugen, haben Heizungsanlagen seit den 1970er Jahren eine witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung. Sinkt die Außentemperatur, steigt die Temperatur des Heizungswassers und damit die potenzielle Leistung der Heizkörper an, steigt die Außentemperatur, reduziert sich die Temperatur des Heizungswassers und damit die Leistung der Heizköper. Idealerweise wird so bei sich ändernden Temperaturen nicht mehr Leistung zur Verfügung gestellt, als zum Ausgleich der Leistungsbilanz notwendig ist. Die Wirkung ist umso besser, je präziser und sorgfältiger die Einstellung vorgenommen wird. Eine Standardauslegung und -einstellung ist, dass die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage bei einer Außentemperatur von 20 Grad Celsius der Raumtemperatur und bei -10 Grad Celsius Außentemperatur einer Solltemperatur von 70 Grad Celsius entspricht (siehe Abbildung 1).

Grafik BaldBest Abb1+Abb2

Leistung satt: Kompetenz- oder Aufmerksamkeitsdefizit?

Doch wie sieht es in der Praxis aus? Um alle im BaltBest-Projekt untersuchten Heizungsanlagen bezüglich ihrer Einstellung der Heizkennlinie zu bewerten, hilft uns Abbildung 2 weiter. Unsere ideal eingestellte Heizungsanlage wird durch den grünen Punkt beschrieben: Bei einer Außentemperatur von 20 Grad Celsius beträgt die Vorlauftemperatur 20 Grad Celsius (Heizung aus), bei einer Außentemperatur von 0 Grad Celsius wird die Vorlauftemperatur auf 50 Grad Celsius geregelt. Dies entspricht einer Standardauslegung (70 Grad Celsius Vorlauftemperatur bei einer Außentemperatur von -15 Grad Celsius).

Die anderen Punkte stellen die weiteren Anlagen im Gesamtprojekt dar. Deren Position in der Grafik ergibt sich aus den real gemessenen Vorlauftemperaturen bei 20 Grad Celsius und bei 0 Grad Celsius Außentemperatur. Je weiter sich eine Anlage rechts von unserer idealen Heizungsanlage befindet (horizontaler Pfeil), desto höher ist der Leistungsüberschuss bei hohen Außentemperaturen, je weiter eine Anlage über der idealen Anlage angeordnet ist (vertikaler Pfeil), desto höher ist der Leistungsüberschuss bei niedrigen Außentemperaturen.

Es zeigt sich auch, dass es (wenige) Anlagen gibt, die mit deutlich niedrigeren Temperaturen arbeiten, als es unserer Standardeinstellung entspricht. Zum Vergleich sind zwei weitere Anlagen in der Grafik gekennzeichnet (gelber und roter Punkt), deren Verhalten im Folgenden noch genauer untersucht wird.

Führen höhere Temperaturen zur Energieverschwendung?

Was sind die Probleme, die aus der nicht sachgerechten Einstellung der Heizungsanlage resultieren? Grundsätzlich ist es so, dass die Wärme nicht verlustfrei aus dem Heizungskeller in die Wohnungen transportiert werden kann. Die Rohrleitungen geben Wärme ab, die Leistung ist umso größer, je wärmer das Wasser ist. Obwohl diese Wärme im Gebäude verbleibt, tritt sie aber an Stellen aus, wo sie oftmals nicht benötigt wird. Gleichzeitig lässt sich diese Wärme nicht für die Heizkostenerfassung nutzen, sodass ein hoher Rohrwärmeanteil aufgrund zu hoher Temperaturen die Genauigkeit der verbrauchsabhängigen Heizkostenabrechnung beeinflusst.

Nutzer reagieren auf ein Überangebot an Leistung

Dass es durch zu hohe Vorlauftemperaturen zur Energieverschwendung kommt, klingt zunächst unlogisch. Schließlich verfügen alle Heizkörper über Thermostatventile, welche die Wärmezufuhr drosseln, sobald die Solltemperatur in den Räumen erreicht wird. Richtig ist auch, dass Mieter von den Einstellmöglichkeiten der Thermostatventile ausgiebig Gebrauch machen, wie die Messergebnisse im BaltBest-Projekt zeigen.

Grafik_Unterschiedliche Heizkennlinie

Normalerweise gibt es kaum belastbare Informationen über das Heizverhalten von Nutzern in Mietwohnungen. Das Projekt BaltBest erlaubt hier erstmals einen tiefen Einblick. Obwohl die Daten nur anonymisiert vorliegen, können aufgrund der Präzision und des Umfangs der vorliegenden Daten die Wechselwirkungen der Anlage mit dem Nutzer analysiert werden.

Dies ist im Folgenden anhand zweier Liegenschaften beispielhaft dargestellt (siehe Abbildung 3) – einer Liegenschaft mit einer funktionierenden witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung (Liegenschaft 1) und einer Liegenschaft, deren Kessel aufgrund von Fehleinstellungen wie ein Konstant-Temperaturkessel betrieben wird (Liegenschaft 2). Jeder Punkt in dieser Grafik beschreibt die durchschnittliche Vorlauftemperatur im Tagbetrieb in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Es ist zu erkennen, dass in Liegenschaft 1 die Vorlauftemperatur bei 20 Grad Celsius Außentemperatur unterhalb von 40 Grad Celsius liegt und bei einer Außentemperatur von 0 Grad Celsius weniger als 60 Grad Celsius zur Verfügung gestellt werden. Liegenschaft 2 ist das Gegenbeispiel, hier ist die Vorlauftemperatur mehr oder weniger konstant bei 65 Grad Celsius.

Wechselwirkungen mit dem Nutzerverhalten

Grafik_Einstellung von Heizanlagen_witterungsbereinigter Gasverbrauch
Liegenschaft 1 (Abb. links), Liegenschaft 2 (Abb. rechts)

Um das Nutzerverhalten zu analysieren, wurde – damit die Effekte in unterschiedlichen Liegenschaften vergleichbar werden (siehe Abbildung 4 oben) – zunächst der Anteil der genutzten Heizkörper in den beiden Liegenschaften ermittelt und alle Energieverbräuche witterungsbereinigt und flächennormiert. Jeder Punkt in dieser Abbildung 4 entspricht dem Tagesverbrauch in Abhängigkeit des Anteils der an diesem Tag genutzten Heizkörper in der Liegenschaft. Die Farbe der Punkte repräsentiert die Außentemperatur. In beiden Liegenschaften ist zu erkennen, dass bei wärmeren Außentemperaturen weniger Heizkörper in Betrieb sind als bei niedrigen Außentemperaturen. Mieter reagieren auf höhere Außentemperaturen mit der Teilbeheizung der Wohnungen. Dies hat einen signifikanten Einfluss auf den Energieverbrauch, deutlich daran zu erkennen, dass dieser in beiden Liegenschaften an wärmeren Tagen unterdurchschnittlich ist. Allerdings ist der Tagesverbrauch in der Anlage mit der schlecht eingestellten Heizung in dieser Phase deutlich höher.

Wenn die Außentemperatur abnimmt, steigt in beiden Liegenschaften der Energieverbrauch überproportional an, allerdings in Liegenschaft 2 deutlich stärker. Gleichzeitig nimmt in Liegenschaft 2 die Streuung der Verbräuche an Tagen mit einer ähnlichen Außentemperatur stark zu. Erklärbar ist dies durch ein nicht sachgerechtes Lüftungsverhalten, wodurch ein erheblicher Teil der Energie verloren geht. Bei einem geöffneten Fenster öffnen nach circa 15 Minuten die Thermostatventile; die Heizkörper entwickeln aufgrund der hohen Vorlauftemperatur eine hohe Leistung, die aber nach außen entweicht. Dies führt zu dem beobachtbaren widersprüchlichen Effekt, dass der Verbrauch gerade an warmen Tagen unverhältnismäßig stark ansteigt.

Wenn es noch kälter wird, nimmt der witterungsbereinigte Energieverbrauch in beiden Liegenschaften ab, in Liegenschaft 2 stärker als in Liegenschaft 1 und ist mit einer größeren Streuung der Verbräuche verbunden. Erklärbar ist das dadurch, dass aufgrund der fallenden Temperatur der Grad der Überversorgung der Liegenschaft 2 abnimmt. Das geöffnete Fenster wird bei sehr niedrigen Außentemperaturen schneller wieder geschlossen, die Lüftungsverluste nehmen ab. So kommt es an kalten Tagen zu deutlich reduzierten bereinigten Gasverbräuchen in beiden Anlagen.

Interessant ist ein weiterer Effekt: Der Anteil der betriebenen Heizkörper ist in Liegenschaft 2 signifikant kleiner als in Liegenschaft 1. Die hohe Leistung motiviert offensichtlich zum Betrieb der Wohnung mit weniger Heizkörpern. Während dies bei höheren Außentemperaturen noch unkritisch ist, können insbesondere bei Bestandsbauten mit Wärmebrücken durchaus Probleme mit Schimmelbildung entstehen.

Auffällig ist ebenfalls der deutlich niedrigere witterungsbereinigte Durchschnittsverbrauch von Liegenschaft 1 im Vergleich zu Liegenschaft 2. Es ist anzunehmen, dass die Differenz überwiegend den Effekten durch die schlecht eingestellte Heizungsanlage geschuldet ist. Der Vermieter schafft hier Möglichkeiten zur Energieverschwendung und der Mieter nutzt diese!

Fazit

Effizienz entsteht durch Beschränkung. Das heißt, nichts machen, was nicht benötigt wird. Es gibt gute Gründe, Mehrfamilienhäuser im Bestand hinsichtlich der Einhaltung dieser Regel genauer unter die Lupe zu nehmen. Das Zusammenspiel von Gebäude, Anlagentechnik und Nutzerverhalten ist komplex und wenig analysiert. In der Praxis wird dieses Zusammenspiel nur selten präzise optimiert. Stattdessen wird zu oft versucht, mit einer Wärme-Überversorgung den vermeintlichen oder real existierenden Abstimmungsproblemen aus dem Weg zu gehen. Das funktioniert, energieeffiziente Betriebsführung geht aber anders.

Spätestens mit der Dekarbonisierung des Bestandes und dem Umstieg auf regenerative Energien (Wärmepumpen) brauchen wir eine systematische Umstellung der Heizungstechnik auf niedrigere Temperaturen. Ohne ein kontinuierliches Monitoring der Anlagen und eine fortlaufende Gesamtoptimierung wird das nicht gelingen.

Weitere Informationen: www.energieeffizient-wohnen.de

Forschungsprojekt "BaltBest"

Das Akronym "BaltBest" steht für "Einfluss der Betriebsführung auf die Effizienz von Heizungsaltanlagen im Bestand". Für das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 1,1 Millionen Euro geförderte Forschungsprojekt haben sich 15 Partner aus Wohnungswirtschaft, Industrie und Wissenschaft zusammengetan, um den Einfluss der Betriebsführung auf die Effizienz von Bestandsheizungsanlagen in Mehrfamilienhäusern zu untersuchen. Es wurden 100 Mehrfamilienhäuser von Wohnungsunternehmen aus dem Mitgliederkreis des GdW ab 2018 mit einer Funk-Messinfrastruktur mit über 5.800 Sensoren des Energiedienstleisters Techem ausgestattet.

Weitere Informationen zu den Ergebnissen unter:
www.energieeffizient-wohnen.de/baltbest


Von Prof. Dr. Viktor Grinewitschus, Simon Jurkschat und Karsten Fransen.


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Schlagworte zum Thema:  Klimaschutz, Energiemanagement, Smart Metering