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Simulation von Heizungsanlagen in Gebäuden: Auf dieser Seite

Bewertung alternativer Anlagentechnik in der Sanierung (auch für Neubau möglich)

Eine geplante Altbausanierung wird in der Regel auch eine Erneuerung der Heizanlage in Betracht ziehen. Bei dieser Gelegenheit, und auch im Falle dass nur eine Heizungserneuerung ansteht, hat der Eigentümer heute die Wahl zwischen mehreren z.T. sehr unterschiedlichen Möglichkeiten.

  • Die Vielzahl von Anlagentypen und Varianten, mit den jeweiligen Vor- und Nachteile kann der Laie kaum mehr bewerten (und auch mancher Fachmann tut sich schwer damit). Zudem kann was für den einen Fall ideal ist, bei einem anderen Gebäude technisch unsinnig sein.
  • Auch Infrastruktur Voraussetzungen (Verfügbarkeit bestimmter Energieformen wie: Sonne, Erdwärme, Gasanschluss, Grundwasser, Fernwärme) und  die nicht technischen Präferenzen des Bauherren (kein Gas im Haus gewünscht, keine Abhängigkeit von Erdöl, Klimaschutz, günstiges Holz verfügbar...) können zu ganz unterschiedlichen Lösungen führen.
  • Ausgehend von der aktuellen Situation ermitteln wir die technischen Möglichkeiten und erarbeiten eine Gegenüberstellung der sinnvollen Alternativen.
  • Auf jeweils besondere Bauliche Voraussetzungen oder erforderliche abhängige Sanierungsmaßnahmen wird hingewiesen.
  • Die staatlichen und kommunalen Fördermöglichkeiten je Variante werden erläutert
  • Als Zusatzleistung können Angebote von Fachunternehmen bewertet werden.

Bewertung der alternativer Basislösungen

HV-jaehrlicher-Energiebedarf

HV-prozentuale Einsparung

HV-statische-Amortisationszeit

HV-jaehrliche-CO2-Emission

HV-Investitionskosten

HV-Kosten-pro-eingesparter-kWh

Der Heizungsvergleich zeigt die Kenndaten verschiedener Heizungssysteme in der Sanierung, ausgehend von einem konkret vorliegenden Istzustand. Hier ein großes Einfamilienhaus (Verbrauch 5.500 Liter Heizöl pro Jahr) mit einem Ölniedertemperaturkessel Baujahr 1984 beheizt.

  • Für jede mögliche/sinnvolle Heizungsvariante werden der Energieverbrauch, die Einsparungen gegenüber der  aktuellen Situation, die Amortisation der Investition sowie die Wirkung auf den CO2 Ausstoß dargelegt (weitere Vergleichswerte sind möglich: Kosten, dynamische Amortisationsbetrachtungen, weitere Umweltdaten, Primärenergiebedarf, Heizlast ..).
  • Für die Anlagentechnik kann mit Standardwerten gerechnet werden oder es können mittels spezieller Simulation (s.u.) die konkrete Situation und konkrete Produkte berücksichtigt werden.
  • Ein Vergleich mit einem Neubau gleicher Größe und Geometrie (Referenzgebäude) wird eingeblendet.
  • Zusätzlich kann auch die Wirkung baulicher Maßnahmen zum Vergleich der Wirkung angezeigt werden (hier ein Fenstertausch und die Dämmung der Außenwände)

Detaillierung /Einbeziehung spezieller Anforderungen: Beispiel Schwimmbad

Solaranlage-mit-SB-Anlagenschema

Solaranlage-mit-SB-Deckungsrate

Kollektortemperatur-ohne-SB

Kollektortemperatur-mit-SB

Das Beispiel zeigt die Ausnutzung überschüssiger Solarwärme in den Sommermonaten zur Beheizung eines Schwimmbades. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Anlage von 31% ohne Schwimmbad auf 46% mit Schwimmbadbeheizung. Die untere Bildreihe zeigt, wie durch diese Maßnahme auch eine Überhitzung des Kollektors bei hoher Einstrahlung vermieden wird (links ohne SB, rechts mit SB; gelb -> Einstrahlung auf Kollektor, schwarz -> Kollektortemperatur, rot-> Anlagenleistung)

Weitere Optionen sind möglich: z.B: Zusatzheizung durch Kamin, Elektrische Zusatzheizung, Bivalente Wärmepumpenanlagen, Lüftungsanlgen mit Wärmerückgewinnung ....

Ertragssimulation und Wirtschaftlichkeitsrechnung von thermischen Solaranlagen

Der Ertrag einer Solaranlage ist von mehreren Parametern abhängig, die von der jeweils aktuell vorliegenden Situation bestimmt werden. Diese sind im Wesentlichen:

  • Der Standort, Dachneigung und Dachsüdabweichung, die Kollektorgröße und Kollektortyp, Speichergröße und max. Speichertemperatur
  • Bei der Heizungsunterstützung wirken sich noch die Heizkreistemperatur, der Anlagentyp und die Größe des Pufferspeichers aus

Die Simulation errechnet an Hand der für jeden Monat vorliegenden Strahlungsdaten den solaren Ertrag und aus dem Vergleich mit dem monatlichen Wärmebedarf (Warmwasser bzw. Warmwasser + Heizung) die monatlichen Deckungsraten. Die Betrachtung über das ganze Jahr ergibt dann die Jahres-Deckungsrate(n). Aus der Deckungsrate ergibt sich die eingesparte Energiemenge. In einer Wirtschaftlichkeitsrechnung werden die eingesparten Energiekosten den für eine Solaranlage erforderlichen Investitionen gegenübergestellt.

Beispiel: Ergebnisse einer Simulation von thermischen Solaranlagen (Auszug)

Solar Ertrag bei Warmwasserbereitung

Solar Ertrag bei WW- und Heizungsunterstuetzung

Thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung:

Anlagendaten (für obiges Ergebnis)

  • Standort: München          geogr. Breite: 48,1°
  • Kollektor: 5,70 m² Flachkollektor, selektiv beschichtet
  • Kennlinie: c0 = 0,770   c1 = 3,500 W/(m²K)   c2 = 0,0200 W/(m²K²)
  • Neigung: 35,0° Südabweichung: 20,0°
  • Anlagentyp: Trinkwarmwasser
  • Speicher: 300 Liter
  • Temperatur: max. 85°C / min. 54°C
  • Wärmebedarf: 9,42 kWh/Tag   = 180 Liter/Tag von 10°C auf 55°C

Solare Deckung: WW-> 56%

Thermische Solaranlage zur WW- und Heizungsunterstützung: Anlagendaten (für obiges Ergebnis)

  • Standort: München          geogr. Breite: 48,1
  • Kollektor: Vakuumröhrenkollektor Fläche: 11,40 m²
  • Kennlinie: c0 = 0,710   c1 = 1,000 W/(m²K)   c2 = 0,0090 W/(m²K²)
  • Neigung: 35,0° Südabweichung: 20,0°
  • Anlagentyp: Pufferspeicher + FWE (2)
  • Pufferspeicher: 800 Liter  Temperatur : max. 85°C / min. 65°C
  • Frischwassermodul: 20 Liter/Min bei 10 -> 45°C und 55°C Vorlauftemperatur
  • Wärmebedarf: 9,42 kWh/Tag   = 180 Liter/Tag von 10°C auf 55°C
  • 11683 kWh/Jahr Heizwärmebedarf
  • Solares Heizen: bei T außen < 16°C
  • Heizkreis: 55/40°C,  9 kW bei -16°C

Solare Deckung:WW ->74%, Heizung -> 21%

Wann ist eine Simulation / Berechnung einer thermischen Solaranlage zu empfehlen

Eine Simulation sollte immer durchgeführt werden, wenn Sie vor Auftragserteilung an einen Handwerker eine verlässliche Information zu Ertrag und Wirtschaftlichkeit haben wollen. Dies gilt insbesondere, wenn auch eine Heizungsunterstützung zu erwägen ist.

  • Eine vorab Prognose der Wirtschaftlichkeit einer Thermischen Solaranlage ist nur auf Basis einer Ertragssimulation mit konkreten lokalen Randbedingungen möglich
  • In der Simulation kann mit unterschiedlichenr Kollektorgrößen, realen  Kollektoren unterschiedlicher Hersteller, unterschiedlichen Positionierungen der Kollektoren, Verschattungen und verschiedene Anlagenkonfigurationen gearbeitet werden.

Wir bieten die Dienstleistung “Simulation thermischer Solaranlagen” als Zusatz zu einer Energieberatung oder als Einzelleistung an

Ertragssimulation und Wirtschaftlichkeitsrechnung von Wärmepumpen

Ob im konkreten Einzelfall eine Wärmepumpe eine empfehlenswerte alternative Heizungstechnik insbesondere bei Bestandsbauten darstellt, ist abhängig von:

 

1. der thermischen Qualität des Gebäudes (Heizwärmebedarf)

2. der vorhanden Wärmeverteilung/Übergabe (Heizkreistemperaturen)

3. den Möglichkeiten die das Grundstück/ die Grundstückslage zulässt (Größe, Bodenbeschaffenheit, wasserrechtliche Situation)

4. den ausgewählten / auszuwählenden Anlagenkomponenten

 

Während an Punkt 3 in der Regel nichts geändert werden kann, sind die Punkte 1, 2, 4 beeinflussbar und voneinander abhängig. Zunächst sollten immer die Punkte 1 und 2 geklärt werden, sie liefern wesentliche Eingangsparameter für die Simulation und sind u.U. allein schon entscheidend ob ein Wärmepumpen Einsatz sinnvoll möglich ist oder ob zuvor bei 1 und/oder 2 nachgebessert werden sollte. Wir empfehlen daher, den Wärmepumpen Einsatz immer im Rahmen einer kompletten Energieberatung zu untersuchen. Dabei kann dann auch Punkt 3 vorgeklärt werden. Ein weiterer wichtiger Eingangsparameter ist der Stromtarif des EVU für die Wärmepumpe.

 

In der Simulation kann dann die passende Technik verifiziert werden, die mit den unter 1 bis 3 gefundenen Randbedingungen am Besten klar kommt. Sofern eine thermische Solaranlage für das Gebäude in Frage kommt, wird diese in den Anlagenkonfigurationen berücksichtig. Die Simulation errechnet an Hand des des Wärmebedarf (Warmwasser + Heizung) die erforderliche Quellen Leistung (Wasser, Boden, Luft, Solar) und die einzusetzende elektrische Energie der Wärmepumpe. Hieraus ergeben sich auch die Anforderungen an Kollektorgrößen  / Bohrtiefen,  und Leistung und Konfiguration der Wärmepumpe. Aus Quellen Leistung und verbrauchter Antriebs- und Hilfsenergie für Pumpen und Regelung wird die Jahresarbeitszahl (JAZ) berechnet.

Zusätzlich wird die für die Förderung ausschlaggebende JAZ nach VDI 4650 ermittelt.

In einer Wirtschaftlichkeitsrechnung werden die eingesparten Energiekosten den für eine Wärmepumpen Anlage erforderlichen Investitionen gegenübergestellt.

Beispiel: Simulationsergebnisse für eine Wasser/Wasser Wärmepumpe mit solarer Unterstützung für WW+Heizung

Monatlicher Waermebedarf  und solare Gewinne

Waermepumpe-Simulationsergebnisse

Jahres-Energiekosten:
1. aufgeteilt nach Wärmeerzeugern:

·  Wärmepumpe : 602  €

·  Warmwasser-Heizstab: 0  €

2. aufgeteilt nach Verbrauchern:

·  Heizung    : 498  €

·  Warmwasser    : 68  €

·  Heizungspumpe(n)               : 36  €


>> insgesamt: 602  €

Heizungsart

Kosten in €

Betriebskosten €/a

Investkosten €/a

Gesamtkosten €/a

Wärmepumpe

18350

652

1257

1909

Öl

12900

2645

1022

3807

Gas

9800

2326

760

3186

Nachtspeicher

4000

3069

348

3417

Elektro direkt

800

4948

69

5017

Pellets

16200

1941

1310

3451

Energieverbrauch:

Wärmepumpe:

 

für die Gebäudeheizung

3153 kWh/Jahr

für Warmwasserbereitung

448 kWh/Jahr

Hilfsenergie:

 

Stromverbrauch Förderpumpe

333 kWh/Jahr

Stromverbrauch Heizungsumwälzpumpe

264 kWh/Jahr

Laufzeit der Wärmepumpe:

 

für die Gebäudeheizung

1158 h/Jahr

für Warmwasserbereitung

173 h/Jahr

Wärmeentzug aus der Wärmequelle:

 

für die Gebäudeheizung

14095 kWh/Jahr

für Warmwasserbereitung

2178 kWh/Jahr

 

Bezeichnung: OCHSNER_GMWW_15_2008_ (aus Datenbank)

Typ: Wasser / Wasser


Leistung bei
0/35:        thermisch: 15.3 kW             elektrisch: 2.5 kW

 

empfohlener Volumenstrom im Quellkreis

 2.8 m³/h

max. Vorlauftemperatur

 65 °C

Betriebsweise

 monovalent

Dimensionierungspunkt-Temperatur

 -16.0 °C

Anzahl der im Projekt eingesetzten Wärmepumpen

 1

Leistungsaufnahme Förderpumpe

 250 W

Leistungsaufnahme Heizungsumwälzpumpe

 50 W

Wann ist eine Simulation der Wärmepumpenanlage sinnvoll

Die Installation einer Wärmepumpe ist immer eine größere Investition. Daher ist grundsätzlich vorab eine Simulation zu empfehlen um die grundsätzliche Machbarkeit und die Wirtschaftlichkeit im gesteckten Rahmen zu verifizieren. Dieses gilt insbesondere im Bestand. Hier sollte der Wärmepumpen Einsatz am besten im Rahmen einer Energieberatung  geprüft werden, da mit der Energieberatung auch der bauliche Zustand ausreichend ermittelt wird und Maßnahmen zum “Fit machen für die Wärmepumpe” erarbeitet werden können. Auch sollte eine Nachrechnung der Heizungsanlage für den renovierten Gebäudezustand erfolgen um die Machbarkeit/Wirtschaftlichkeit zu bestätigen (siehe Heizungsoptimierung, Hydraulischer Abgleich).

  • Wir bieten die Wärmepumpensimulation als Ergänzung gemeinsam mit einer Energieberatung, oder anschließend an eine Energieberatung an.
  • Auch eine separate Begutachtung und Simulation sind möglich.

Heizungsoptimierung, hydraulischer Abgleich im Bestand

Nachdem erstmals  im Neubaustadium eines Gebäudes eine abgestimmte Haustechnik installiert wurde, gibt es im  Folgenden immer wieder Zeitpunkte oder Ereignisse, die es erforderlich machen sich mit der bestehenden Anlagentechnik (hier insbesondere Heizung, Lüftung und Warmwasserbereitung) des Gebäudes zu beschäftigen. Solche Anlässe können sein:

  • Ersatz defekter  Anlagenkomponenten, Kesseltausch, Umbauten an der Wärme-Verteilung / -Übergabe
  • Erweiterung / Rückbau des Gebäudes, Nutzungsänderung einzelner Räume
  • Wärmebedarf reduzierende Maßnahmen an der Gebäudehülle (Dämmung, Fenstertausch)

Einhergehend mit diesen Maßnahmen ist immer auch die bestehende und / oder die in Teilen neu eingebrachte Anlagentechnik neu abzustimmen und auf den aktuellen Wärmebedarfs des Gebäudes bzw. der Räume anzupassen.

In Bestandsbauten müssen dabei in der Regel folgende Fragen geklärt und entsprechende Maßnahmen getroffen werden:

Die Beantwortung dieser Fragen erfordert eine Nachrechnung der Heizungs- Warmwasseranlage unter Berücksichtigung der neuen Randbedingungen. Hierzu sind folgende Aktionen erforderlich :

  • Aufnahme aller Bauteile über die Wärme verloren geht als Basis für die Wärmebedarfsrechnung
  • Ermittlung  der für die Auslegung der Anlage und für den Hydraulisch Abgleich maßgeblichen Komponenten und deren Kennwerte  (Ventile, Heizkörper, Pumpen)

Eine auf dieser Basis vollzogene Nachrechnung liefert Werte für die Einstellung von Ventilen und Pumpen und gibt Auskunft über erreichbare Vor- und Rücklauftemperaturen. Darüber hinaus ergeben sich Hinweise auf kritische Systemstellen (Heizkörper, Pumpen, Ventile) als Basis für eine weitere Systemoptimierung.

Beispiel der Berechnung zu einer Heizungsoptimierung (Auszug)

Eingabe der aktuellen Heizkörper

Angaben zum Heizkreis

 

Raumdaten

Heizkörperdaten

Thermostatventil

 

Nr.

Raumbe-

zeichnung

Fläche

[m2]

Heizlast

[W]

Heizkörpertyp

tR

[°C]

Norm-
lstg.
75/65 °C

Verhältnis

QHK/QR

Entf.
zur
Pumpe

kv-
Wert
[m
3/h]

Δp

[mbar]

Vol.- Strom[l/h]

Gewähltes

Ventil

Vor-

ein-

stellung

Bemerkung

1

Wohnzimmer

40,0

306

Platte 22/350/400

54

441

1,4

nah

0,07

188

33

Heimeier F-exakt

4

Thermisch ungüns-

tigster Heizkörper

2

Wohnzimmer

40,0

306

Platte 22/350/400

54

441

1,4

mittel

0,07

188

33

Heimeier F-exakt

4

 

3

Esszimmer

20,0

306

Platte 22/350/400

54

441

1,4

nah

0,07

188

33

Heimeier F-exakt

4

 

4

Schlafzimmer

20,0

170

Platte 21/350/400

37

366

2,2

mittel

0,01

188

6

Heimeier F-exakt

1

 

5

Küche

12,0

102

Platte 21/350/400

26

366

3,6

mittel

0,01

188

2

Heimeier F-exakt

1

Spreizung > 30 K

6

Diele

10,0

64

Platte 21/350/400

16

366

6,5

mittel

0,01

188

2

Heimeier F-exakt

1

 

7

Bad

7,0

214

Platte 11/350/900

38

544

2,3

weit

0,02

188

8

Heimeier F-exakt

2

 

8

WC

4,0

122

Platte 11/350/900

28

544

4,0

mittel

0,01

188

3

Heimeier F-exakt

1

Spreizung >30K

Wann ist eine Heizungsoptimierung zu empfehlen

Die Dienstleistung Heizungsoptimierung empfiehlt sich als planerische Aktivität im Vorfeld immer dann, wenn konkrete Maßnahmen baulicher Art, und / oder wenn Änderungen an der Anlagentechnik, vorgenommen werden sollen.

  • nach baulichen Änderungen (Dämmung, Fenstertausch, Umbauten) sind in der Regel Maßnahmen in folgenden Bereichen erforderlich und zu berechnen.
  • nach größeren Änderungen  an der Anlagentechnik ist fallweise  ein hydraulischer Abgleich empfehlenswert.
  • vor einem Beschluss zum  Einsatz  effizienter Wärmepumpentechnik und/oder thermischer Solaranlagen zur Heizungsunterstützung sollten die Annahmen für die Auslegung durch eine Simulation mit der geplanten Umgebung durchgeführt werden.
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