Für die Auslegung der Komponenten von Heizungsanlagen muss die maximal erforderliche Wärmeleistung ermittelt werden. Die normative Berechnung dieses Werts, der fachsprachlich als Heizlast bezeichnet wird, erfolgt in Deutschland mit der DIN EN 12831. Bei dieser Norm handelt es sich um die nationale Ausgabe der europäischen EN 12831. Die zugehörigen Randbedingungen wurden im nationalen Anhang veröffentlicht, welcher zuletzt im Juli 2008 als Beiblatt 1 [1] zur DIN EN 12831:2003-08 [2] erschien.
Im September 2017 hat das DIN eine neue DIN EN 12831-1 [3] herausgegeben. Ein Entwurf für den zugehörigen neuen nationalen Anhang zur Heizlastberechnung erschien im Oktober 2018 unter dem Titel E DIN SPEC 12831-1 [4]. Die Einspruchsfrist beim DIN NHRS endete am 29. Januar 2019, die Einsprüche wurden am 27. März 2019 beim zuständigen DIN-Normenausschuss beraten. Dabei wurde u. a. festgelegt, dass die Auslegungsaußentemperatur (Temperaturwert laut elektronischem Anhang bzw. der unter Berücksichtigung eines Höhenunterschieds oder des Einflusses der Zeitkonstante korrigierte Wert) in der Heizlastberechnung mit einer Nachkommastelle zu verwenden ist.
Bis zum Erscheinen der finalen Fassung des neuen nationalen Anhangs zur Heizlastnorm empfiehlt der Normenausschuss die Anwendung der bisherigen Fassung der Norm aus dem Jahr 2003 und der zugehörigen Beiblätter 1 bis 3.
So wird die Heizlast korrekt nach DIN EN 12831 berechnet
Ziel der normativen Heizlastberechnung ist es, mit ausreichender Genauigkeit eine für die Auslegung von Heizungskomponenten geeignete Leistung zu bestimmen. Dabei geht es nicht darum, die physikalische Realität möglichst detailliert abzubilden, sondern um eine einfache Berechnung mit begrenztem Aufwand – vor allem bei der Dateneingabe.
Die rechnerische Heizlast ergibt sich, indem die für Transmission und Lüftung ermittelten Wärmeverlustkoeffizienten mit der Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und äußerer Umgebung des Gebäudes multipliziert werden. Die Innentemperaturen hängen von der jeweiligen Nutzung ab, die Norm-Außentemperaturen vom Standort. Beide Temperaturen werden für die normative Berechnung als konstant angenommen. Es handelt sich damit um einen stationären Berechnungsansatz, der die realen dynamischen Verhältnisse vereinfacht betrachtet. Weitere Vereinfachungen betreffen die inneren Wärmeeinträge und die Solarstrahlung, die zumindest in der deutschen Anwendung der europäischen Norm vernachlässigt werden.
Viele Daten für Heizlast entsprechen denen der Energiebedarfsberechnung
Ein großer Teil der für die Heizlastberechnung erforderlichen Eingangsparameter, beispielsweise U-Werte und Bauteilflächen, werden gleichermaßen für die Energiebedarfsberechnung (z. B. mit DIN V 18599) verwendet. Andere Parameter muss der Planer neu ermitteln. So stimmen beispielsweise die Innentemperaturen für die Heizlastberechnung nicht mit jenen der Energiebedarfsberechnung überein, weil sich im Auslegungsfall andere Zustände ergeben können als in dem für eine Energiebedarfsberechnung betrachteten längeren Zeitraum.
Innere und solare Wärmeeinträge dürfen hingegen anders als bei der Heizlast für den Energiebedarf nicht vernachlässigt werden. Die in der Heizlastberechnung vernachlässigten Wärmeeinträge sind eine der Ursachen dafür, dass mit den nach Norm für 20 °C ausgelegten Heizungsanlagen im Betrieb höhere Raumtemperaturen realisiert werden können.
Neue Klimadaten liegen vor
Die vollständig neu ermittelten Klimadaten in DIN SPEC 12831-1 beruhen auf den aktualisierten Testreferenzjahren, welche vom Deutschen Wetterdienst (DWD) im Auftrag des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) erarbeitet wurden. Die Datensätze der Testreferenzjahre liegen für Deutschland quadratkilometergenau vor. Um diese detaillierte geografische Auflösung zu erreichen, wurden die verfügbaren Daten der DWD-Messstationen mit Simulationsmodellen rechnerisch auf ganz Deutschland ausgeweitet. Als Vergleichsbasis für die Bewertung des typischen Witterungsverlaufs diente der Zeitraum 1995 bis 2012.
Als kälteste Außentemperatur wird das in diesen 18 Jahren neunmal erreichte kälteste Zweitagesmittel angegeben. Aus planerischer Sicht sollten die neuen meteorologischen Daten folgende Anforderungen erfüllen:
eindeutige Zuordnung von Klimadaten und Gebäudestandort
einfache Handhabung
hinreichend genaue Beschreibung der klimatischen Verhältnisse unter Berücksichtigung der insgesamt bei der Heizlastberechnung erreichbaren Genauigkeit.
Unter Würdigung dieser Ziele hat der Normenausschuss eine postleitzahl-genaue Angabe der meteorologischen Daten beschlossen. Dadurch ist die Zahl der Datensätze auf ein Vielfaches angestiegen: Während die in der alten Normfassung enthaltenen Daten für gut 500 Orte auf elf gedruckte Seiten passten, lassen sich die neuen 8200 Datensätze nicht mehr sinnvoll drucken oder im PDF-Dokument unterbringen. Der Beuth Verlag gibt deshalb zur neuen Norm eine Excel-Datei heraus, welche unkompliziert in die Berechnungssoftware integriert werden kann.
Klimadaten geben veränderte Temperaturen besser wieder
Anders als die alten Klimadaten berücksichtigen die neuen meteorologischen Daten den Einfluss der Bebauungsdichte auf die Außentemperatur direkt im jeweiligen Postleitzahl-Gebiet, was die folgenden Ausführungen zum Vergleich der Außentemperaturen anschaulich belegen. Eine zusätzliche Anwendereingabe ist dafür nicht notwendig. Der Anwender ist jedoch gefordert, wenn die Außentemperatur aufgrund der Höhenlage des Standorts nach DIN SPEC korrigiert werden muss.
Die neuen Klimadaten geben die durch den Klimawandel bereits veränderten Temperaturen besser wieder. Tendenziell ist die Außentemperatur höher als bei den alten Daten. Dies ist sowohl beim Vergleich der einzelnen Orte als auch beim Vergleich der mittleren Temperatur über alle Datensätze sichtbar. Über alle Standorte gemittelt liegt die Außentemperatur aus den Klimadaten der alten Normfassung bei e = –13,2 °C. Mit den neuen Klimadaten ergibt sich über alle Standorte eine mittlere Außentemperatur von e = –11,5 °C. Das entspricht einer durchschnittlichen Erhöhung der Auslegungsaußentemperatur von e = 1,7 K. An einzelnen Standorten ist die Differenz zwischen alter und neuer Auslegungsaußentemperatur allerdings deutlich höher, in Einzelfällen beträgt sie mehr als 5 K.
Klimaveränderung wird in der Auslegung abgebildet
Für die in Abb. 1 ausgewiesene Veränderung der Auslegungsaußentemperatur spielt sowohl die Klimaveränderung als auch der Detaillierungsgrad der neuen Klimadaten eine große Rolle. Letzterer ermöglicht, den bei hoher Bebauungsdichte entstehenden Wärmeinseleffekt und den Einfluss der Höhenlage auf die Außentemperatur zu berücksichtigen.
ITG Dresden
Das Beispiel der in Abb. 2 bis 4 dargestellten Städte München, Berlin und Dresden veranschaulicht den Wärmeinseleffekt: In allen drei Städten sind die Auslegungsaußentemperaturen am Stadtrand niedriger als im Stadtkern. Die höchste Temperatur aus den neuen Datensätzen für das jeweilige Stadtgebiet ist in den Abbildungen grün hinterlegt, die niedrigste in Rot. In den betrachteten Städten liegt die Differenz zwischen der niedrigsten und der höchsten Temperatur zwischen e = 1,9 K und e = 2,8 K.
In innerstädtischen Lagen variiert die Temperatur weniger stark. Dies verdeutlicht z. B. die Innenstadt von Dresden, für die in den neuen Klimadaten Temperaturen zwischen e = –12,7 °C und e = –12,1 °C angegeben werden. Weil die Außentemperatur gegenüber den Klimadaten aus der alten Normfassung tendenziell höher ist, ergibt sich nach neuer Norm für ein Gebäude an gleichem Standort mit sonst gleichen Randbedingungen eine geringere Heizlast. Das wirkt sich unmittelbar auf die Leistung von Heizflächen und Wärmeerzeugern aus.
Unterschiede zwischen Innen- und Außentemperatur werden kleiner
Die Änderung der Heizlast ist dabei proportional zur Änderung der Temperaturdifferenz zwischen Auslegungsinnen- und Auslegungsaußentemperatur. Pro Kelvin, um das die neue von der alten Außentemperatur abweicht, ergibt sich in den meisten Auslegungsfällen eine Heizlastverringerung von ca. = 3 % (s. Abb. 6). Für München wird beispielsweise in den alten Klimadaten e = –16 °C als Norm-Auslegungsaußentemperatur vorgegeben, nach den neuen Klimadaten liegt die Norm-Auslegungsaußentemperatur je nach Stadtlage zwischen e = –13,9 °C und e = –11,1 °C.
Für die Heizlastberechnung mit einer Auslegungsinnentemperatur von int = 20 °C ergibt sich zukünftig eine in der Stadtrandlage um 5,8 % niedrigere Differenz zwischen Innen- und Außentemperatur, im Stadtkern verringert sich die Differenz um 13,6 %. Für ein fiktives freistehendes Einfamilienhaus mittlerer Größe im Stadtkern hätte dies eine um ca. = 1,1 kW niedrigere Gebäudeheizlast zur Folge.
Die Neufassung der Norm und die neuen Klimadaten, die zu jeder Postleitzahl eine Referenzhöhe enthalten, ermöglichen eine Berücksichtigung des Höheneinflusses auf die Auslegungsaußentemperatur. Dies kann für Standorte mit großen Höhenunterschieden relevant sein. Zur Vereinfachung wird die Temperatur erst ab einer Höhendifferenz von 200 m korrigiert. Pro 100 m Höhendifferenz zwischen dem Gebäudestandort und der zur Postleitzahl angegebenen Referenzhöhe wird dann 1 K von der Auslegungsaußentemperatur abgezogen.
Eine weitere Anpassung der Auslegungsaußentemperatur erfolgt in Abhängigkeit von der Zeitkonstante des Gebäudes . Bereits mit der alten Fassung der Heizlastnorm kann optional die Zeitkonstante beim Ermitteln der Auslegungsaußentemperatur berücksichtigt werden. Im Gegensatz zu dieser stufenweisen Korrektur wird nach neuer Heizlastnorm die Auslegungsaußentemperatur stetig zwischen e,T = 0 und e,T = 4 K angehoben
Verluste über Lüftungswärme bleiben unverändert
Die rechnerische Korrektur der Außentemperatur in Abhängigkeit von der Zeitkonstante des Gebäudes erfolgt nur für die Transmissionswärmeverluste. Lüftungswärmeverluste werden mit der unkorrigierten Außentemperatur ermittelt, da hier keine Dämpfung stattfindet.
Die in der bisherigen Fassung des nationalen Anhangs von 2008 gültigen Standardwerte für die Auslegungsinnentemperatur werden in der Neufassung (DIN SPEC) weitgehend übernommen. Lediglich für Flure und Treppenräume, die sich innerhalb von Nutzungseinheiten befinden, wird ein neuer Standardwert der Auslegungsinnentemperatur mit int = 20 °C definiert. Zusätzlich gibt die neue Norm Standard-Auslegungsinnentemperaturen für gewerblich oder industriell genutzte Räume bei unterschiedlicher Intensität der körperlichen Arbeit an.
ITG Dresden
Wenn mit dem Auftraggeber abgestimmt wurde, dass von einem erhöhten Wärmebedürfnis auszugehen ist, können die Auslegungsinnentemperaturen gegenüber den Standardwerten um bis zu int,comf = 3 K erhöht werden (Komfortzuschlag). Eine Erhöhung der Auslegungsinnentemperatur gegenüber dem Standardwert führt zu einem Leistungszuschlag auf diejenige Heizlast eines Raums, welche sich mit Standardwert und ohne sonstige Zuschläge ergäbe. Bei einer mittleren Auslegungsaußentemperatur in Deutschland von –11,5 °C hätte der Komfortzuschlag von 3 K in Abhängigkeit von dem Standardwert der Auslegungsinnentemperatur eine Erhöhung der Heizlast zwischen 8,5 % und 11,3 % zur Folge.
Anpassung von Wärmebrückenzuschlägen in der Norm für die Heizlastberechnung
Die pauschalen Wärmebrückenzuschläge wurden ebenfalls angepasst (Abb. 12). Für Bauteile, die nach E DIN 4108 Beiblatt 2: 2017-11 oder gleichwertig ausgeführt werden, gibt die neue Norm zwei alternative Wärmebrückenzuschläge vor: UWB = 0,05 W/m2K und UWB = 0,03 W/m2K. Die Kategorien A und B beschreiben zwei unterschiedliche Niveaus, wobei Kategorie B geringere Wärmebrücken bedingt.
Zusätzlich wird für Gebäude mit vorwiegend innenliegender Wärmedämmung, die von Massivbauteilen durchstoßen wird, ein Pauschalwert von UWB = 0,15W/m2K vorgegeben. In allen anderen Fällen kann entweder der Pauschalwert von UWB = 0,10 W/m2K angesetzt oder ein individueller Wert errechnet werden.
Berechnungsverfahren für Norm-Lüftungswärmeverluste
Das Berechnungsverfahren für die Norm-Lüftungswärmeverluste wurde umfassend überarbeitet. Dem Anwender stehen künftig zwei Berechnungsansätze zur Verfügung: das allgemeine Berechnungsmodell und das vereinfachte Verfahren.
Das vereinfachte Verfahren wurde durch Einschränkung der Eingabeparameter aus dem allgemeinen Berechnungsmodell abgeleitet. Es darf nur angewendet werden, wenn das Gebäude luftdicht mit n50 3 h-1 ist und gleichzeitig keine Außenluftdurchlässe, keine ventilatorgestützte bzw. maschinelle Lüftung, keine Wärmerückgewinnung und keine großen Öffnungen in der Gebäudehülle vorhanden sind. Ist eines dieser Kriterien nicht erfüllt, muss das allgemeine Berechnungsmodell angewendet werden.
Der Mindest-Luftvolumenstrom des Raums wird weiterhin aus der Mindest-Luftwechselrate nmin,i und dem Innenvolumen des Raums berechnet. Für Wohngebäude können laut der DIN SPEC die in Abb. 11 angegebenen Mindestluftwechsel herangezogen werden. Allerdings liegt eine Empfehlung vor, diese Standardwerte nur bis zu mittleren Raumhöhen 3 m zu verwenden und andernfalls projektspezifische Werte zu ermitteln. Ebenso sind die Mindestluftwechsel insbesondere für Nichtwohngebäude aus Nutzungs- und Planungsvorgaben zu ermitteln. Gegenüber der bisherigen Fassung der Heizlastnorm wurde der Mindestluftwechsel für Küchen auf den Wert nmin = 0,5 h-1 vereinheitlicht.
Vorher wurde für Küchen mit einem Raumvolumen bis 20 m3 der doppelte Wert angesetzt.Die Luftdichtheit eines Gebäudes kann auf der Grundlage der Luftdurchlässigkeit der Gebäudehülle qenv,50 und der Luftwechselrate n50 berücksichtigt werden. Anders als bisher beruhen die Berechnungen in der Neufassung der Heizlastnorm auf der Luftdurchlässigkeit qenv,50. Beide Werte lassen sich mit einer vorgegebenen Formel ineinander umrechnen. Die Anhaltswerte zur Kategorisierung der Luftdichtheit werden folglich als hüllflächenbezogene Luftdurchlässigkeit qenv,50 und nicht mehr als Luftwechsel n50 vorgegeben
So wirkt sich das Wärmeübergabesystem in hohen Räumen aus
In hohen Räumen wirkt sich das Wärmeübergabesystem vor allem durch eine Temperaturschichtung über die Raumhöhe auf die Heizlast aus. Der Einfluss des Temperaturgradienten ist mit der alten Fassung der DIN EN 12831:2003 praktisch nicht berechenbar, die entsprechenden informativen Ausführungen im Anhang B1 können bestenfalls als rudimentär bezeichnet werden. Die neue Heizlastnorm berücksichtigt neben dem Temperaturgradienten auch den Einfluss bauteilintegrierter Heizflächen.
Entsprechend dem Berechnungsansatz der neuen Heizlastnorm werden die Transmissionswärmeverluste in Räumen mit einer Raumhöhe 4 m unter Berücksichtigung der mittleren inneren Oberflächentemperatur jedes Bauteils ermittelt. Beeinflusst wird diese Oberflächentemperatur durch die Norm-Innentemperatur des Raums, durch den Lufttemperaturgradienten des Wärmeübergabesystems Gair,i, die mittlere Höhe des betrachteten Bauteils über dem Fußboden, die Höhe des Aufenthaltsbereichs sowie den Korrekturterm surf zur Berücksichtigung der Differenz zwischen Luft- und Oberflächentemperatur.
ITG Dresden
Beim Berechnen der Lüftungswärmeverluste wird dagegen die mittlere Innenlufttemperatur eingesetzt. Ermittelt wird sie in Abhängigkeit von der Norm-Innentemperatur des Raums, vom Lufttemperaturgradienten des im Raum genutzten Wärmeübergabesystems, der mittleren Raumhöhe, der Höhe des Aufenthaltsbereichs und vom Korrekturterm rad zur Berücksichtigung der Differenz zwischen Lufttemperatur und operativer Temperatur.
Die neue Heizlastnorm bietet ein Berechnungsverfahren an, mit dem die Luftvolumenströme durch große Öffnungen unter Auslegungsbedingungen überschlägig ermittelt werden können. Lüftungswärmeverluste durch das Offenhalten großer Öffnungen sind im Rahmen der nationalen Anwendung von DIN EN 12831-1:2017-09 optional zu berücksichtigen und damit nur nach expliziter Vereinbarung. Wird die DIN EN 12831-1:2017-09 berücksichtigt, resultieren erheblich höhere Heizleistungen. Die Norm weist ausdrücklich darauf hin, dass langanhaltend offen stehende Tore möglichst zu vermeiden sind.
Dem Verfahren liegt ein Modell zugrunde, das die vorhandenen großen Öffnungen aller Fassaden eines Raums nach festgelegten Regeln zu effektiven Öffnungsflächen zusammenfasst. Anhand dieser effektiven Öffnungsflächen werden unterschiedliche Strömungsszenarien betrachtet, in welchen sich thermisch induzierte und windinduzierte Strömungen überlagern. Für Bauteile (z. B. Tore), die im Rahmen der Heizlastberechnung als offen betrachtet werden, sind keine zusätzlichen Transmissionswärmeverluste zu berechnen.
Bereits mit der bisherigen Heizlastnorm war es möglich, das vereinfachte Berechnungsverfahren anzuwenden, um die Norm-Heizlast für einen beheizten Raum, eine Gebäudeeinheit oder das Gebäude zu bestimmen. Die Beschränkungen der Anwendung und die Berechnungsmethodik waren in den Beiblättern 2 und 3 zur DIN EN 12831 ([5], [6]) festgelegt. Die bisherigen Inhalte der Beiblätter 2 und 3 wurden in die neue DIN SPEC und damit in den nationalen Anhang übernommen. Zusätzlich wurde das Verbrauchsverfahren zur Schätzung der Heizlast aus Wärmemengen oder Verbrauchsdaten überarbeitet und die Tabelle mit den U-Werten für unterschiedliche Baualtersklassen mit der aktuellen EnEV-Bekanntmachung abgeglichen.
Neben den inhaltlichen Änderungen, die unmittelbare Auswirkungen auf das Berechnungsergebnis und letztendlich auf die Leistung von Heizflächen und Wärmeerzeugern haben, wurden formale Änderungen vorgenommen, z. B. bei einigen Formelzeichen und Indizes zum besseren Abgleich mit anderen Normen. Die Formblätter und Beispiele zur Heizlastberechnung wurden ebenfalls aktualisiert.
Neben den inhaltlichen Änderungen, die unmittelbare Auswirkungen auf das Berechnungsergebnis und letztendlich auf die Leistung von Heizflächen und Wärmeerzeugern haben, wurden formale Änderungen vorgenommen, z. B. bei einigen Formelzeichen und Indizes zum besseren Abgleich mit anderen Normen. Die Formblätter und Beispiele zur Heizlastberechnung wurden ebenfalls aktualisiert.
Die Autoren: Dr.-Ing. Bernadetta Winiewska ist ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden, Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz arbeitet als Geschäftsführer am ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung.
Erstmals veröffentlicht in Ausgabe 06-2019 des Gebäude Energieberater
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