Philipp Nordmann ist Installateur & Heizungsbauer in Gütersloh gibt Hinweise zum Thema Heizkesseldimensionierung bzw. Heizkesselauslegung. Nur ein möglichst gut ausgelegter und damit richtig dimensionierter Heizkessel verbraucht nicht zuviel Energie, sondern spart Heiz-Energie.

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Philipp Nordmann

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Heizkesseldimensionierung

Seit dem 1. Oktober 2004 muss die Größe von Heizkesseln nach einer neuen EU-Norm berechnet werden, der EN 12 831. Das führt zu Kesseln, die um 20 bis 40 Prozent größer sind, als sie nach der deutschen Vorgängernorm sein müssten!

Bisher gab es dafür die deutsche Norm DIN 4701, die seit 1. Oktober 2004 durch die europaweit gültige Norm EN 12 831 ersetzt wurde. Das Rechenverfahren soll hier kurz in seinen Grundzügen vorgestellt werden und auch die Abweichung der neuen von der alten Norm.

Die notwendige Heizleistung wird nach DIN 4701 für das Gebäude dadurch bestimmt, dass die Heizleistung für jeden einzelnen Raum des Hauses errechnet wird. Die Summe ergibt dann die für das Gebäude insgesamt notwendige Leistung. Die Heizleistung für jeden Raum errechnet sich aus der Wärmeleitungsgleichung für jede Wand: Die Wärmeverluste sind das Produkt aus Fläche mal Wärmedurchgangskoeffizient (früher: K-Wert, jetzt: U-Wert) mal Temperaturdifferenz. Hinzu addiert werden die Lüftungswärmeverluste.

Die neue EU-Norm geht ebenso modular vor: Die Verlustwerte der Einzelbauteile werden zunächst raumweise addiert und dann zum Gebäudegesamtwert zusammengefasst. Im ersten Schritt werden die U-WERTe mit den Flächen des Bauteils multipliziert. Man erhält den auf die Temperaturdifferenz bezogenen Norm-Wärmeverlust H des Bauteils in Watt pro Kelvin, der durch die Temperaturdifferenz dividierte Wärmeverlust. Addiert wird der Lüftungswärmeverlust. Dann wird H mit der Temperaturdifferenz zwischen außen und innen multipliziert. Daraus erhält man den Wärmeverlust in Watt. Für das Gesamtgebäude und die tiefste Außentemperatur entspricht dies der erforderlichen Heizleistung.

Neu in der EU-Norm ist ein Aufheizfaktor. Diese zusätzliche Leistung wird benötigt, wenn zum Beispiel nach einer NACHTABSENKUNG innerhalb einer kürzeren Zeit die Norminnentemperatur wieder erreicht werden soll.

Den Berechnungen liegen die Norm-Außentemperaturen am Gebäudeort zugrunde, die im Beiblatt für alle deutschen Städte mit mehr als 20.000 Einwohnern aufgeführt sind. Das sind die Tiefsttemperaturen, auf die die Heizung auszulegen ist.

Unterschiede

Die neue EU-Norm kommt gegenüber der deutschen Vorgängernorm zu um 20 bis 40 Prozent höheren GebäudeHEIZLASTen und damit größeren Heizkesseln. Das hat folgende Ursachen:

  • EN 12831 verwendet die Außenmaße des Gebäudes, die Vorgängernorm dagegen Innenmaße
  • EN 12831 macht einen Wärmebrückenzuschlag
  • Die Außentemperatur-Korrektur der deutschen Norm ist weggefallen
  • Der Mindestlüftungswärmeverlust wird nicht wie in der deutschen Norm mit dem Gleichzeitigkeitsfaktor um die Hälfte reduziert.

Die schon bisher deutlich zu großen Heizkessel werden unter Berufung auf die neue Norm noch größer werden und den Energieverbrauch anwachsen lassen. Die alte und auch die neue Norm gehen von der Forderung aus, dass auch an den wenigen extrem kalten Tagen des Jahres das ganze Haus gemütlich warm sein muss. Ob man dafür mit höheren Heizkosten bezahlen will ist jeweils individuell zu beantworten.

Leider müssen Installateure Heizungsanlagen nach dieser EU-Norm auslegen, es sei denn Sie als Besitzer des Gebäudes und Betreiber der Heizungsanlage widersprechen dem und verlangen ausdrücklich (schriftlich!) eine bedarfsorientierte Auslegung des Heizungskessels nach überschlägiger Berechnung!

Überschlägige Berechnung

Die Heizlast beziehungsweise der bezogene Wärmeverlust H kann für Altbauten auch aus dem gemessenen Verbrauch ermittelt werden. In der Praxis wird oft auch mit Überschlagszahlen gearbeitet (siehe Tabelle unten).
Für einen Neubau sind je nach Geometrie 40 bis 60 Watt je Quadratmeter Wohnfläche notwendig. Ein Einfamlienhaus mit 205 qm braucht danach eine Heizung mit 8,2 bis 12,3 kw Leistung. In einem konkret raumweise durchgerechneten Beispiel ergibt sich für ein Beispielhaus dieser Größe nach DIN 4701 eine Leistung von 6,8 kw und nach EN 12831 9,6 kw.

Der Wärmebedarf eines Hauses oder Raumes ist eine sich stündlich verändernde Größe. Sie hängt ab von äußeren Klimabedingungen wie Außentemperatur, Bewölkung, Windstärke, Niederschlag, Sonneneinstrahlung und der im Haus erwünschten Temperatur. Um Ihren Raum bei niedriger Außentemperatur angenehm zu temperieren, muss Ihre Heizquelle stets so viel Wärme nachliefern, wie durch Wände, Ritzen und Fenster wieder abfließt: die Heizlast.

Stellen Sie sich das ruhig bildlich wie ein Küchensieb vor, in das Sie oben Wasser – also Wärme – hineingießen, das unten durch die Löcher wieder hinausläuft. Wer dauerhaft dämmt, verringert die Löcher im Sieb und braucht weniger nachgießen. Die maximale Heizlast, auf die Sie Ihre Heizung einstellen sollten, herrscht bei der kältesten Außentemperatur, die in den letzten 20 Jahren zehnmal andauernd über zwei Tage erreicht wurde. Diese „Auslegungstemperatur" können Sie der Karte entnehmen.

Wenn die gewünschte Raumtemperatur gleich der Außentemperatur ist, dann wird keine Wärme mehr benötigt. Man spricht auch von der Heizgrenztemperatur. Auch die Menschen im Haus und der in Wärme umgewandelte Strom, der verbraucht wird, heizen das Haus mit und senken die Heizgrenztemperatur. Die Leistung des Heizkessels, gemessen in Kilowatt (kW), muss auch im Fall größter Kälte das Haus noch warm bekommen, also die größte Heizlast des Hauses abdecken. Der Kessel würde dann ohne Unterbrechung dauernd heizen.

Für den großen Rest des Jahres läuft die Heizung nur einen Bruchteil der Zeit, weil der Wärmebedarf viel geringer ist. Die Heizung läuft also die allermeiste Zeit im Stop-and-Go und verbraucht dadurch unnötig viel Energie. Je geringer die Kesselleistung, um so länger sind die Brennerlaufzeiten und um so effizienter arbeitet die Heizung. Es hört sich paradox an, aber die beste Heizungsanlage geht nie aus.

Wenn Sie bei größter Kälte im Wohnzimmer statt mit 21°C zum Beispiel mit 19°C Innentemperatur auskommen oder dann nicht das ganze Haus beheizen müssen, dann kommen Sie mit einer wesentlich geringeren Kesselleistung aus.

Selbstverständlich sind dies Werte für Gebäude oder jegliche Sanierungsmassnahmen seit Ihrer Erbauung. Wenn z.B. in ein freistehendes Einfamilienhaus von 1970 im Jahr 1999 neue Fenster und im Jahr 2001 eine Außendämmung eingebracht wurden, so ist der Wert von 150 Watt je qm nicht mehr anzusetzen. Allerdings kann man auch nicht ganz den guten Wert von 60 Watt je qm für Gebäude ab 1995 ansetzen, da z.B. die Dachisolierung noch im alten Zustand ist oder die Kellerdecke nicht den heutigen Ansprüchen entspricht. Aber mit einem Wert von 70 bis 75 Watt je qm liegt man bei korrekter Ausführung der Fenster- und Dämmarbeiten richtig. Und das bedeutet ganz pauschal, dass die Kesselleistung mindestens um 50 % reduziert werden kann und dass sich zumindest der Verbauch an Heizöl oder Erdgas für den Heizungsbereich fast halbiert haben müßte (der Lüftungswärmebedarf - nach DIN mit 50 % anzusetzen - ist trotz neuer Fenster und Außendämmung nicht halbiert worden!).

Konventionelle Ermittlung des Wärmebedarfs

Die herkömmliche Größenbestimmung des Wärmebedarfs geht davon aus, dass ein Haus neu zu bauen ist.
Das Verfahren zur Berechnung des Wärmebedarfs ist in der DIN 4701 genormt, die jetzt von der DIN EN 12831 ersetzt wird. Die Berechnung erfolgt mit PC-Programmen.
Schneller geht es mit einer Faustformel: Quadratmeterzahl des Hauses x spezifischer Wärmebedarf = Wärmebedarf (nach DIN 12831: Heizlast) = Kesselleistung.
Beispiel: 100 Quadratmeter Neubau, 100 x 60 = 6.000 Watt = 6 kW(vergleiche Tabelle).

Heizlast messen mit vorhandener Heizung

Da es heute fast kein Haus ohne Heizungsanlage gibt, kann man über die Laufzeiten der vorhandenen Heizung auch die individuelle Heizlast des Hauses bestimmen. Wir sind auf der Suche nach dem Faktor f, um den die eingestellte Brennerleistung kw zu groß ist. Die passende Leistung P ist dann P = f x kw. Die eingestellte Brennerleistung kw Ihrer Heizung finden Sie auf dem Arbeitsbericht des Servicetechnikers. Notfalls nehmen Sie die mittlere bis obere Kesselleistung. Bei Gasbrennern kann man die Leistung ermitteln, indem man bei ständig laufendem Brenner (Schornsteinfeger-Einstellung) den Energieverbrauch über einen Zeitraum am Gaszähler abliest und durch die verflossene Zeit dividiert.

Beispiel: Kessel und Brenner liefern 30 kW, der Kessel ist um den Faktor f = 0,75 zu groß. Die richtige Leistung ist also 0,75 x 30 = 22,5 kW.

Der Faktor f lässt sich errechnen aus dem Verhältnis zwischen momentanen Leistungsbedarf q und der momentanen Brennerzeit-Auslastung s. Beide Größen können Sie rasch durch eine Messung ermitteln:

Zuerst bestimmen Sie den momentanen Leistungsbedarf q: Ein guter Messtag hat unter -0° Celsius, ein sehr guter Messtag unter -5°C, dazu einen bedeckten Himmel und wenig Wind.

Zunächst misst man die Außentemperatur Ta (z.B. 0°C). Die Differenz zur gewünschten Raumtemperatur Tr (z.B. 20°C) wird ins Verhältnis gesetzt zur oben bestimmten maximalen Temperaturspreizung TS (z.B. Vorlauf 70°C minus Rücklauf 40°C = TS 30°C). Daraus kann man errechnen, welchen Prozentsatz q der maximalen Wärmeleistung der Kessel gerade bereitstellen muss: q = (Tr-Ta)/TS

Beispiel: Ta = 0°, Tr = 20°, TS = 30° und damit q = 0,67.

Nun messen Sie die momentane Brennerzeit-Auslastung s. Benötigt werden die Lauf- und Stillstandszeiten des Brenners in etwa einer Stunde ohne Warmwasserbereitung und nach der Aufheizphase, wenn alle Räume auf Solltemperatur sind.

Die Solltemperatur einzelner Räume wurde in der DIN 4701 unter `Norm-Innentemperatur für beheizte Räume in Wohnhäusern´ festgelegt, mit Hilfe dieser Tabelle werden seit Jahrzehnten die Heizkörpergrößen eines Raumes ausgelegt:

Wohn- und Schlafräume

+ 20°C
Küchen + 20°C
Bädezimmer + 24°C
WC + 20°C
Vorräume und Flure + 15°C
Treppenräume (falls beheizt) + 10°C

Man stellt sich für eine Zeit K mit der Stoppuhr neben die Heizung. Während dieser Zeit ist der Brenner L Minuten lang in Betrieb und M Minuten lang aus. Sie können mehrere Zyklen nehmen, um so genauer wird Ihr Ergebnis. K = L + M

Messen Sie danach noch einmal die Außentemperatur. Sollte diese sich geändert haben, nehmen Sie den Mittelwert beider Außentemperatur-Messungen.

Dann ist die momentane Brennerzeit-Auslastung s = L / K . (der Wert L wird in der Rechnung also 2 x benötigt!)

Beispiel: K = 30 Minuten, L = 10 Minuten. Rechnung: s = 10 / 30 = 0,33

Daraus ergibt sich nun der Faktor f = s / q.

q haben wir weiter oben ausgerechnet, der Beispiel-Wert ist 0,67.

Beispiel: Der Brenner war bei Ihrer Messung nur zu einem Drittel (0,33) ausgelastet und hat in dieser Zeit zwei Drittel (0,67) des Leistungsbedarfs erbracht. Daraus ergibt sich f = 0,33 / 0,66 = 0,5. Der Kessel ist also um das Doppelte zu groß eingestellt. Statt 30 kw braucht der Kessel nur eine Leistung von P = 0,5 x 30 = 15 kw.

Grenzen der Leistungsminderung

  • Kommen Sie berechnungsmäßig unter 14 kw, bekommen Sie bei Ölbrennern das Problem, dass Sie diese heute nur mit Tricks zwischen 10 und 14 kw betreiben können, weil es keine Düsen gibt, die weniger als ein Liter Öl pro Stunde versprühen können. Nur zwei Fabrikate schaffen mit einem zweistufigen Brenner Werte von 8 bis 14 kw.
  • Bei der Warmwasserbereitung brauchen Sie sich weniger Sorgen zu machen als immer behauptet wird. Denn auch ein 10 kw Brenner schafft es, einen 300 Liter Speicher in 60 bis 90 Minuten nachzuladen. Das macht man natürlich außerhalb der Heizzeit. Wenn man den Speicher mehr als einmal am Tag nachladen muss, ist es deshalb sinnvoll, parallel das Heizen und Warmwasserladen zu ermöglichen (zwei Pumpen, kein Umschaltventil). Elektrische Warmwasserbereiter arbeiten auch mit 2, 6 oder 9 kw.
  • Kommen Sie unter 11 kw, entfällt die Messung des Schornsteinfegers – sogar dann, wenn Sie fürs Warmwassser bis zu 28 kw benötigen (möglich bei Gasbrennern mit interner Umschaltung, auch als Durchlauferhitzer).

Heizung drosseln und Energie sparen

Ergibt die obige Abschätzung, dass die bereitgestellte Heizleistung wesentlich zu hoch ist, dann kann man folgendes tun:

  • Neuanschaffung eines kleineren Kessels
  • Die Brennerleistung anpassen. Nicht bei allen Kesseln ist die Leistung verringerbar

Fazit bzw. Praxis

Eigentlich alle Brennwertgeräte bzw. Brennwertkessel funktionieren heute modulierend, d.h. sie passen sich dem tatsächlich benötigten Wärmebedarf des Gebäudes an. Wichtig bei der Auslegung bzw. Dimensionierung ist, dass der Warmwasserbedarf gedeckt wird und dass der Heizkessel soweit heruntermoduliert, dass auch die bei einem gut bis sehr gut gedämmten Gebäude nur minimale Heizlast bei Außentemperaturen von ca. +10° bis +15° wirtschaftlich erfolgen kann.

Niedertemperaturheizkessel im Leistungsbereich bis ca. 100 kw werden quasi nicht mehr installiert, und auch im höheren Leistungsbereich ist die Zahl stark sinkend.


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