Energetische Sanierung eines heizölbeheizten Einfamilienhauses vor dem Hintergrund der ENEV 2007

Diplomarbeit von Carsten Wittkop

Einleitung:

In dieser Arbeit sollen an einem bestehenden Einfamilienhaus wärmeschutztechnische und anlagentechnische Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden. Das Ziel ist die primärenergetische und wirtschaftliche Bewertung des Gebäudes einschließlich seiner Anlagentechnik und der betrachteten Sanierungsvarianten. Zusätzlich sollen die Unterschiede zwischen der bedarfs- und der verbrauchsorientierten Bewertungsweise erläutert werden. Vor dem Hintergrund der Einführung des Energiepasses und dem sich daraus ergebenden Energieberatungsbedarf soll diese Arbeit zudem ein Leitfaden sein. Dieser Leitfaden soll die wichtigsten Themenbereiche der energetischen Gebäudesanierung und –bewertung darstellen. Dabei sollen gewählte Themenbereiche ausführlich behandelt und dargestellt werden.

Die EU-Richtlinie EPBD (Directive on Energy Performance of Buildings – Richtlinie über Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden), die analog zur deutschen EnEV (Energieeinsparverordnung) auf dem integralen Berechnungsansatz von Gebäudehülle und Anlagentechnik basiert, verlangt von den Mitgliedsstaaten unter anderem die Einführung eines Energieausweises. Die bereits seit 2002 für neue Wohn- und Nichtwohngebäude verpflichtende Erstellung von Energieausweisen wird nun auch für Bestandsgebäude verlangt. Anhand des zu bestimmenden Primärenergiebedarfs für Heizung, Trinkwassererwärmung und Lüftung wird die energetische Qualität eines Gebäudes bewertet. Die Umsetzung dieser EU-Richtlinie in Deutschland erfolgt durch eine Novellierung der bestehenden EnEV zur EnEV 2007.

Der vorliegende Gesetzesentwurf zur EnEV 2007 erlaubt einen Energiebedarfsausweis auf Grundlage eines ingenieurmäßig bestimmten Energiebedarfs sowie eines Energieverbrauchsausweises auf Grundlage des bereinigten Energieverbrauchs des Gebäudes. Nach derzeitiger Planung ist als verpflichtender Starttermin für die Erstellung von Energieausweisen der 1. Januar bzw. der 1. Juli 2008 festgelegt. Ab diesem Termin muss bei Eigentümerwechsel und Neuvermietung von bestehenden Wohngebäuden ein solcher Energieausweis erstellt werden.

Gang der Untersuchung:

Einleitend führt das zweite Kapitel in die Thematik des Wärmeschutzes und der Energieeinsparverordnung mit entsprechenden Unterpunkten ein. Das dritte Kapitel behandelt das zu sanierende Gebäude. Nach einer Erläuterung der Grundlagen des Wärmetransports bei Gebäuden folgt die Bestimmung der grundlegenden Gebäudekennwerte und die Beschreibung der energetische Sanierung der Gebäudehülle mit marktüblichen Dämmmaßnahmen. Die Gebäudebilanzierung im Monatsbilanzverfahren zur Ermittlung des Heizwärmebedarfs auf Basis der DIN 4108-6 schließt mit einer Ergebnisdarstellung für das unsanierte und sanierte Gebäude ab.

In Kapitel 4 wird basierend auf einer Heizlastberechnung nach der überarbeiteten DIN EN 12831 eine Optimierung des bestehenden Wärmeverteilungssystems vorgenommen. Es folgt die Vorstellung der gewählten Heizungsanlagenvarianten einschließlich einer primärenergetischen Bewertung anhand der DIN 4701-10/ -12.

Kapitel 5 gibt mittels der Ergebnisse aus der Verbrauchsbewertung eine Erläuterung zwischen der bedarfs- und verbrauchsorientierten Bewertungsweise. Es folgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Modernisierungsvarianten anhand der Methode des annuitätischen Gewinns bzw. des äquivalenten Energiepreises in Kapitel 6.

Inhaltsverzeichnis:

	Inhaltsverzeichnis	1
1.	Einleitung	4
2.	Die Energieeinsparverordnung	6
2.1	Gesetzgebung zur Energieeinsparung	6
2.2	Aufgaben und Anforderungen des Wärmeschutzes	8
2.3	Primärenergetische Bilanzierung	12
2.4	Der Energieausweis	14
3.	Sanierung und Bilanzierung des Gebäudes	20
3.1	Grundlagen des Wärmetransports bei Gebäuden	20
3.2.1	Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient	20
3.2.2	Wärmeübergangwiderstände	22
3.2.3	Wärmedurchlasswiderstand von Luftschichten	23
3.2.4	Temperaturverteilung im Bauteil	23
3.2	Vorstellung des Gebäudes	25
3.3	Sanierung der thermischen Hülle	26
3.3.1	Thermische Hüllfläche und –volumen	26
3.3.2	Vorüberlegung/ Sanierungsplanung	27
3.3.3	Sanierung der Einzelbauteile	30
3.4	Bilanzierung des Heizwärmebedarfs im Monatsbilanzverfahren	32
3.4.1	Spezifischer Wärmeverlust	34
3.4.2	Interne und solare Gewinne	36
3.4.3	Ausnutzungsgrad interner/solarer Gewinne und Nachtabschaltung	37
3.5	Ergebnisse	39
4	Sanierung und Bewertung der Anlagentechnik	41
4.1	Heizlastberechnung	41
4.2	Hydraulische Optimierung mit Optimus	45
4.2.1	Istzustand des Verteilungssystems	45
4.2.2	Optimierung des Verteilungssystems	47
4.3	Wärmeerzeugung	57
4.3.1	Wechselbrandkesselkessel	57
4.3.2	Niedertemperaturkesselkessel	58
4.3.3	Brennwertkessel	59
4.3.4	Solarthermische Anlage	60
4.3.5	Holzpelletskessel	62
4.3.6	Elektrowärmepumpe	63
4.4	Bewertung der Anlagentechnik	64
4.4.1	Primärenergiebedarf Heizung	64
4.4.2	Primärenergiebedarf Trinkwassererwärmung	65
4.5	Ergebnisse der Anlagenbewertung	66
5.	Vergleich von Bedarf und Verbrauch	69
5.1	Vorbetrachtung	69
5.2	Ursachenbetrachtung	72
6.	Wirtschaftlichkeitsbetrachtung	74
6.1	Grundlagen	74
6.2	Ergebnisse	76
7.	Zusammenfassung	80
	Quellenverzeichnis	81
	Bildverzeichnis	84
	Tabellenverzeichnis	85
	Formelzeichen	85
	Anhang
1.	Gebäudedaten	A 1
1.1	Pläne und Ansichten	A 1
1.2	Thermografieaufnahmen	A 4
1.3	Geometrische Daten	A 7
1.4	Bauteilübersicht	A 9
1.5	Feuchtenachweis, DIN 4108-3	A 17
1.6	Wärmebrückennachweis, DIN 4108, Beiblatt 2	A 18
1.7	Jahres-Heizwärmebedarf, unsanierter Zustand	A 19
1.8	Jahres-Heizwärmebedarf, sanierter Zustand	A 22
2.	Anlagendaten	A 25
2.1	Heizlastberechnung, Einzelräume	A 25
2.2	Wechselbrandkessel	A 31
2.2.1	Unsaniertes Gebäude, Wechselbrandkessel	A 33
2.2.2	Saniertes Gebäude, Wechselbrandkessel	A 36
2.3	Niedertemperaturkessel	A 37
2.3.1	Unsaniertes Gebäude, Niedertemperaturkessel	A 38
2.3.2	Saniertes Gebäude, Niedertemperaturkessel	A 39
2.4	Brennwertkessel	A 40
2.4.1	Unsaniertes Gebäude, Brennwertkessel	A 41
2.4.2	Saniertes Gebäude, Brennwertkessel	A 42
2.5	Brennwertkessel mit Warmwasser-Solaranlage	A 43
2.5.1	Unsaniertes Gebäude, Brennwertkessel mit Warmwasser-Solaranlage	A 44
2.5.2	Saniertes Gebäude, Brennwertkessel mit Warmwasser-Solaranlage	A 45
2.6	Brennwertkessel mit Warmwasser- und Heizungs-Solaranlage	A 46
2.6.1	Unsaniertes Geb., Brennwertk. mit Warmw.- und Heizungs-Solaranlage	A 47
2.6.2	Saniertes Geb., Brennwertk. mit Warm.- und Heizungs-Solaranlage	A 48
2.7	Holzpelletskessel	A 49
2.7.1	Unsaniertes Gebäude, Holzpelletskessel	A 50
2.7.2	Saniertes Gebäude, Holzpelletskessel	A 51
2.8	Elektrowärmepumpe	A 52
2.8.1	Unsanierte Gebäude, Elektrowärmepumpe	A 53
2.8.2	Saniertes Gebäude, Elektrowärmepumpe	A 54
2.9	Simulation Solarthermie	A 55
3.	Wirtschaftlichkeitsbetrachtung	A 57
3.1	Unsaniertes Gebäude, mit Anlagenvarianten	A 57
3.2	BW-Kessel, mit Dämmvarianten	A 64
3.3	BW-Kessel, mit Dämmvarianten, mit „Sowieso-Kosten“	A 66

Inhaltsverzeichnis:

	Inhaltsverzeichnis	1
1.	Einleitung	4
2.	Die Energieeinsparverordnung	6
2.1	Gesetzgebung zur Energieeinsparung	6
2.2	Aufgaben und Anforderungen des Wärmeschutzes	8
2.3	Primärenergetische Bilanzierung	12
2.4	Der Energieausweis	14
3.	Sanierung und Bilanzierung des Gebäudes	20
3.1	Grundlagen des Wärmetransports bei Gebäuden	20
3.2.1	Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient	20
3.2.2	Wärmeübergangwiderstände	22
3.2.3	Wärmedurchlasswiderstand von Luftschichten	23
3.2.4	Temperaturverteilung im Bauteil	23
3.2	Vorstellung des Gebäudes	25
3.3	Sanierung der thermischen Hülle	26
3.3.1	Thermische Hüllfläche und –volumen	26
3.3.2	Vorüberlegung/ Sanierungsplanung	27
3.3.3	Sanierung der Einzelbauteile	30
3.4	Bilanzierung des Heizwärmebedarfs im Monatsbilanzverfahren	32
3.4.1	Spezifischer Wärmeverlust	34
3.4.2	Interne und solare Gewinne	36
3.4.3	Ausnutzungsgrad interner/solarer Gewinne und Nachtabschaltung	37
3.5	Ergebnisse	39
4	Sanierung und Bewertung der Anlagentechnik	41
4.1	Heizlastberechnung	41
4.2	Hydraulische Optimierung mit Optimus	45
4.2.1	Istzustand des Verteilungssystems	45
4.2.2	Optimierung des Verteilungssystems	47
4.3	Wärmeerzeugung	57
4.3.1	Wechselbrandkesselkessel	57
4.3.2	Niedertemperaturkesselkessel	58
4.3.3	Brennwertkessel	59
4.3.4	Solarthermische Anlage	60
4.3.5	Holzpelletskessel	62
4.3.6	Elektrowärmepumpe	63
4.4	Bewertung der Anlagentechnik	64
4.4.1	Primärenergiebedarf Heizung	64
4.4.2	Primärenergiebedarf Trinkwassererwärmung	65
4.5	Ergebnisse der Anlagenbewertung	66
5.	Vergleich von Bedarf und Verbrauch	69
5.1	Vorbetrachtung	69
5.2	Ursachenbetrachtung	72
6.	Wirtschaftlichkeitsbetrachtung	74
6.1	Grundlagen	74
6.2	Ergebnisse	76
7.	Zusammenfassung	80
	Quellenverzeichnis	81
	Bildverzeichnis	84
	Tabellenverzeichnis	85
	Formelzeichen	85
	Anhang
1.	Gebäudedaten	A 1
1.1	Pläne und Ansichten	A 1
1.2	Thermografieaufnahmen	A 4
1.3	Geometrische Daten	A 7
1.4	Bauteilübersicht	A 9
1.5	Feuchtenachweis, DIN 4108-3	A 17
1.6	Wärmebrückennachweis, DIN 4108, Beiblatt 2	A 18
1.7	Jahres-Heizwärmebedarf, unsanierter Zustand	A 19
1.8	Jahres-Heizwärmebedarf, sanierter Zustand	A 22
2.	Anlagendaten	A 25
2.1	Heizlastberechnung, Einzelräume	A 25
2.2	Wechselbrandkessel	A 31
2.2.1	Unsaniertes Gebäude, Wechselbrandkessel	A 33
2.2.2	Saniertes Gebäude, Wechselbrandkessel	A 36
2.3	Niedertemperaturkessel	A 37
2.3.1	Unsaniertes Gebäude, Niedertemperaturkessel	A 38
2.3.2	Saniertes Gebäude, Niedertemperaturkessel	A 39
2.4	Brennwertkessel	A 40
2.4.1	Unsaniertes Gebäude, Brennwertkessel	A 41
2.4.2	Saniertes Gebäude, Brennwertkessel	A 42
2.5	Brennwertkessel mit Warmwasser-Solaranlage	A 43
2.5.1	Unsaniertes Gebäude, Brennwertkessel mit Warmwasser-Solaranlage	A 44
2.5.2	Saniertes Gebäude, Brennwertkessel mit Warmwasser-Solaranlage	A 45
2.6	Brennwertkessel mit Warmwasser- und Heizungs-Solaranlage	A 46
2.6.1	Unsaniertes Geb., Brennwertk. mit Warmw.- und Heizungs-Solaranlage	A 47
2.6.2	Saniertes Geb., Brennwertk. mit Warm.- und Heizungs-Solaranlage	A 48
2.7	Holzpelletskessel	A 49
2.7.1	Unsaniertes Gebäude, Holzpelletskessel	A 50
2.7.2	Saniertes Gebäude, Holzpelletskessel	A 51
2.8	Elektrowärmepumpe	A 52
2.8.1	Unsanierte Gebäude, Elektrowärmepumpe	A 53
2.8.2	Saniertes Gebäude, Elektrowärmepumpe	A 54
2.9	Simulation Solarthermie	A 55
3.	Wirtschaftlichkeitsbetrachtung	A 57
3.1	Unsaniertes Gebäude, mit Anlagenvarianten	A 57
3.2	BW-Kessel, mit Dämmvarianten	A 64
3.3	BW-Kessel, mit Dämmvarianten, mit „Sowieso-Kosten“	A 66

Textprobe:

Kapitel 4.3, Wärmeerzeugung: Zur Berechnung und Bewertung der Anlagentechnik wird die gleiche Software wie zur Gebäudeberechnung und -bilanzierung in Kapitel 3.4 verwendet. Im Folgenden sollen die gewählten Wärmeerzeuger kurz vorgestellt und nur die wichtigsten Randdaten genannt werden. Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Anlagenkonfigurationen ist im Anhang A 31 bis A 54 hinterlegt. Dabei ist die Auslegung von Wärmeerzeuger, Warmwasserbereitung und solarthermischer Anlage außer bei der Elektrowärmepumpe für beide Gebäudezustände fast identisch. Die Erzeugerleistung bemisst sich hier nach dem Warmwasserleistungsbedarf und soll aus Komfortgründen nicht kleiner 15 kW sein. Diese Vorgehensweise erleichtert die Vergleichbarkeit der Varianten. Das optimierte Verteilungssystem fließt entsprechend des Gebäudezustands in die Berechnung ein.

Kapitel 4.3.1, Wechselbrandkessel: Der vorhandene Wärmeerzeuger ist ein heizölbetriebener Wechselbrandkessel mit aufgesetztem Warmwasserspeicher und einer Nennwärmeleistung von 41,9 kW. Das Baujahr ist 1975, der Ölbrenner wurde 1985 erneuert (vgl. A 31). Diese Kesselbauart war in den 70er Jahren verbreitet, da sie neben Heizöl und Gas die Verwendung von Festbrennstoffen ermöglichte. Aufgrund der hohen, temperaturkonstanten Fahrweise, der mäßigen Wärmedämmung und der hier etwa dreifachen Überdimensionierung weisen diese Geräte hohe Abgas- und Bereitschaftsverluste insbesondere in dem für den Heizungsbetrieb überwiegenden Teillastbereich auf (Bild 4.7).

Da im Zusammenhang mit der Anlagenbewertung für Geräte vor Baujahr 1994 keine Prüfstandswerte vorhanden sind, gibt die DIN V 4701-12 entsprechende Berechnungsalgorithmen vor.

Obwohl die Norm eine Wirkungsgradverbesserung von 3% aufgrund eines erneuerten Brenners nur für Standardkessel und nicht für Wechselbrandkessel vorgibt, wird dies auf den vorhandenen Kessel angewendet, da die Praxis gezeigt hat, dass ansonsten das mögliche Einsparpotenzial bei einer Modernisierung zu hoch ausfällt.

Der gewichtete Kehrwert daraus ergibt den auf die konkreten Randbedingungen bezogenen Jahresnutzungsgrad des Wärmeerzeugers. Für das unsanierte/ sanierte Gebäude beläuft er sich auf 62,6 % bzw. 45,4%. Der zweite Wert verdeutlicht hier besonders die Abhängigkeit des Nutzungsgrades von der Auslastung des Wärmeerzeugers (Bild 4.7). Nur der Jahresnutzungsgrad des Wärmeerzeugers zeigt als aussagefähige Größe die Erzeugereffizienz in Verbindung mit einem konkreten Objekt. Somit ist er nicht mit dem auf normierte Randbedingungen bezogene Norm-Nutzungsgrad gleichzusetzen.

Kapitel 4.3.2, Niedertemperaturkessel: Der gewählte Niedertemperaturkessel mit einer Nennwärmeleistung von 15 kW ist wahlweise mit einem einstufigem Stauscheiben- oder Rezirkulationsbrenner ausgestattet (Bild 4.8). In dem aus einem Gusssegment bestehenden Kesselkörper sind im Bereich der oberen Rauchgaszüge Turbulatoren eingesetzt. Durch Entfernen der Turbulatoren kann die Abgastemperatur angehoben und eine Schornsteindurchfeuchtung eines unsanierten Schornsteines verhindert werden. Da dies jedoch zu Lasten des Wirkungsgrades geht, ist eine Schornsteinsanierung häufig sinnvoller. Diese wird hier eingeplant.

Kapitel 4.3.3, Brennwertkessel: Der geplante Brennwertkessel besteht aus dem oben beschriebenen Niedertemperaturkessel in Kombination mit einem Rohrbündel-Abgaswärmetauscher (Bild 4.9). Die glatten, selbstreinigenden Rohre des im Gegenstrom betriebenen Wärmetauschers sind aus korrosionsbeständiger Keramik gefertigt. Sie erlauben den Betrieb mit Standard-Heizöl, welches derzeit noch einem maximalen Schwefelanteil von 0,2 Massenprozent aufweist und daher ein sehr saures Kondensat bildet. Aufgrund der um den Faktor 6 höheren Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs Keramik gegenüber rostfreiem Stahl ist eine im Vergleich zu einem Edelstahlwärmetauscher relativ geringe Wärmetauscherfläche bzw. kompakte Bauweise möglich.

Eine optionale raumluftunabhängige Betriebsweise mittels eines Luft-Abgas-Systems führt hier zu keiner besseren Anlagenbewertung, da der Kessel außerhalb der thermischen Hülle des Gebäudes aufgestellt ist. Durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft im Luft-Abgas-System und durch die geringeren Auskühlungsverluste des Aufstellraumes im Keller ist im realen Betrieb jedoch eine gewisse Energieeinsparung gegeben.

Bild 4.10 zeigt die Einbindung des Brennwertkessels. Eine Besonderheit stellt die Reihenschaltung aus Abgaswärmetauscher (WBM), dem unteren Wärmetauscher des bivalenten Warmwasserspeichers und den Rücklaufleitungen des Heizkreises und des oberen Wärmetauschers dar. Sie bewirkt durch Absenkung der Wassereintrittstemperatur am Abgaswärmetauscher und am Heizkessel eine größere Spreizung und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrads.

Kapitel 4.3.4, Solarthermische Anlage: Zu dem beschriebenen Brennwertkessel wird eine Variante mit Warmwasser-Solaranlage und eine Variante mit kombinierter Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung berechnet. Bild 4.11 zeigt hierzu den prozentualen Jahresverlauf des Energiegewinns genannter Solaranlagen zum einen auf ein Bestandsgebäude und zum anderen auf einen Neubau bezogen. Danach lässt sich der solare Deckungsanteil des Warmwasserwärmebedarfs auf 60 – 70% und des Heizwärmebedarfs ausgehend von einer 12 - 14 Quadratmeter großen Solaranlage auf 10 – 30% je nach Gebäudetyp beziffern.

Die Auslegung der Anlagengröße und die Berechnung der Deckungsanteile erfolgten mit der Solar-Simulationssoftware „GetSolar“. Im Anhang A 55/56 sind entsprechende Ergebnisblätter abgelegt. Für beide Gebäudevarianten wurden jeweils die gleichen Anlagengrößen eingesetzt.

Die hydraulische Einbindung der kombinierten Anlage aus einem 900 l großen Schichtenspeicher und sechs Flachkollektoren à 2,24 Quadratmeter in Verbindung mit dem Brennwertkessel ist in Bild 4.12 dargestellt. Dabei arbeitet die solare Beladung nach dem ‚Steigrohrprinzip’, welches sich den Dichteunterschied des Wassers zunutze macht. Das Wasser tritt hierbei abhängig von der Temperatur aus den Öffnungen im Steigrohr aus. Die solare Heizungsunterstützung erfolgt nach dem Prinzip der Rücklaufanhebung, indem der Heizungsrücklauf entweder direkt in den Heizkessel oder in den Speicher geführt und dort angehoben wird. Dabei erfolgt die Umschaltung abhängig von der Rücklauf- und der unteren Speichertemperatur über das 3-Wege-Umschaltventil. Diese Schaltungsvariante erreicht in der Solarsimulation den höchsten Deckungsgrad. Die Warmwasserbereitung im Durchlaufverfahren mittels eines Wellrohrwärmetauschers unterstützt die Temperaturschichtung im Speicher und erübrigt aufgrund des geringen Wasserinhalts im Wellrohr eine Legionellenschutzschaltung. Im Gegensatz zur Schaltung in Bild 4.10 ist der Abgaswärmetauscher parallel im unteren, relativ kühlen Speicherbereich bzw. am Heizungsrücklauf in Reihe angebunden.