Wärme

1. Energie / Arbeit
   

Die meiste Energie im Haushalt wird in Form von Wärme umgesetzt: Gebäudebeheizung, Warmwasser für die Dusche, die Geschirrspülmaschine oder die Waschmaschine. Für diese Wärmeversorgung wird elektrischer Strom, Erdgas, Heizöl oder auch Biomasse und Solarenergie eingesetzt.

Aber der Reihe nach:

Wann muss ein Gebäude beheizt werden?

Immer wenn es unbehaglich wird:
Die Behaglichkeit ist individuell unterschiedlich und hängt von einigen Faktoren (z.B. Aktivitätsgrad) ab. Die messbaren Einflüsse der Behaglichkeit hängen im Wesentlichen von der Oberflächentemperatur der umgebenden Hüllfläche (Wände), der Raumlufttemperatur, der Raumluftfeuchte und der Luftgeschwindigkeit ab.
Bei ausgekühlten Wänden verliert der menschliche Körper durch Strahlungsaustausch Wärme. Um dieses Defizit zu mindern kann man sich wärmer anziehen oder durch Heizen der Luft oder der Hüllflächen Energie wieder zuführen bzw. Wärmeverluste des Bewohners senken.
Die nötige Heizleistung eines Gebäudes ist die Summe aus Lüftungs-, Konvektions- und Strahlungsverlusten abzüglich zugeführter elektrischer Energie und sonstiger, innerer Gewinne. Bei Wärmeerzeugung durch Verbrennungsprozesse kommen Verluste durch Abgase noch hinzu (siehe Skizze).
Das soll vereinfacht ausreichen, der aufmerksame Leser wird Verluste aus Abwasser vermissen. Im konkreten Fall empfiehlt sich der Gang zum kompetenten Energieberater oder Fachplaner. 

Je höher der Dämmstandard, desto geringer der Wärmeverlust über die Wände und umso höher die Oberflächentemperatur - die Behaglichkeit nimmt zu.
Aber alles hat seine zwei Seiten: Im Sommer kehren sich die Wärmeverluste in Wärmegewinne um, solare Strahlung und Konvektion aus der warmen Luft erwärmen das Gebäude. Bei starker innerer Wärmeabgabe - z.B. durch Maschinen oder viele Menschen - erhöht sich im Sommer der Bedarf für eine Klimatisierung, um den Behaglichkeitsbereich wieder zu erreichen. Mit zunehmendem Klimawandel verschiebt sich der Energiebedarf vom Heizen zum Kühlen. Die beliebte Südhanglage könnte durch eine kühle Nordhanglage abgelöst werden...


Wie kann ein Gebäude beheizt werden?

• Heizöl: fossil (ca. 0,26kg CO2/kWh), feuerungsseitig begrenzt regelbar, meist nur 1- oder 2-stufig, minimale Heizleistung (Kessel) ab ca. 10 kW
  

• Erdgas: fossil (ca. 0,2kg CO2/kWh), gut/stufenlos regelbar, ab ca. 2 kW Brennerleistung bei Brennwertthermen
  

• Biomasse (Pellets, Hackschnitzel): nachwachsend, jedoch nur als Restverwertung aus der Holzindustrie sinnvoll, höherer Energieaufwand und negative Umweltauswirkungen bei Schnellumlaufplantagen (Dünger, Pestizide etc.), Wird Holz verstärkt für den Energiemarkt dem Wald entnommen, fehlt dieses anderen Märkten. So wird bei steigenden Holzpreisen, Holz durch jenes aus sensiblen Bereichen (z.B. Tropenholz) ersetzt. Auch die vermeindliche CO2-Neutralität hat einen Schönheitsfehler: Holz in den Wäldern zerfällt nicht vollständig zu CO2 und H2O. Der Waldboden (und jeder abgestorbene Baum) ist ein Kohlenstoffspeicher. Bei der Verbrennung wird somit mehr CO2 in kürzerer Zeit frei, als eine natürlich Verrottung freisetzen würde. Eine Nutzung von Holz als langlebiger Baustoff und CO2-Speicher, z.B. in Blockbohlenhäusern hat dementsprechend einen besseren Effekt auf den CO2-Haushalt.
  

Die Vorteile moderner Biomassekessel sollen nicht verschwiegen werden: Gute Regelbarkeit, einfache und lange Lagerfähigkeit des Brennstoffs (Pellets), hohe Vorlauftemperaturen sind unkritisch und deshalb für Altbauten gut geeignet
Nachteile: relativ hoher Hilfsenergiebedarf (Transport mit Sauger oder Schnecke, Heissluftgebläse zum Zünden), Abgase können je nach Anlage und Brennstoffherkunft mehr oder weniger Feinstaub, Schwermetalle und Kohlenwasserstoffe enthalten.

• Sonderfall Biogas/Kompostierung: Die anaerobe und aerobe Gärung ist ein alter Hut. Biogas ist heute schon fast industrialisiert und wird mit Kraft-Wärme-Kopplung kombiniert. Die direkte Nutzung im Einfamilienhausbereich ist mir nicht bekannt, wäre jedoch durchaus denkbar. Einfache Anlagen in Asien mit einem Füllvermögen von wenigen Kubikmetern und einfachen Brennern reduzieren dort die Abholzung für lokal benötigtes Brennholz.
  
• Die aerobe Gärung - Kompostierung - könnte gerade bei Gebäuden ohne Solaranlage aber mit großen Gartenflächen als additive Energiequelle fast ganzjährig Niedertemperaturwärme liefern. Wegen der winterlichen Ruhezeit sollte ein Wärmetauscherkreis mit Frostschutzmittel betrieben werden, so dass heizungsseitig keine zusätzlichen Arbeiten im Herbst und Frühling anfallen (Leeren/Befüllen des Kreises).
  

• Elektrische Energie: Dank Greenwashing auf dem Vormarsch, jedoch durch den hohen Anteil von Kohlestrom im öffentlichen Netz immer noch mit hohem CO2-Ausstoß (und Schwermetalle, Umweltzerstörung und langfristige Risiken durch den Bergbau) verbunden. Auch Wind- und Solarstrom sind nicht frei von Auswirkungen auf die Umwelt. Vogelschlag bei Windkraftanlagen oder mikroklimatische Einflüsse durch Solarparks sind Aspekte, die ich jedoch deutlich geringer bewerte als die Auswirkungen aus Kohletagebau und Endlagerung von Atommüll.
  

• Direkte Nutzung (Widerstandsheizung):
  
• gut regelbar, wird in unterschiedlichen Konzepten angeboten: Nachtspeicherheizung, Infrarotstrahler, Heizstab für Speicher; Hauptproblem: Im Strommix hohes CO2-Niveau, belastet das Stromnetz, teuer. Unter den Heizungsanbietern sind leider zahlreiche schwarze Schafe, die einen vermeintlich höheren Wirkungsgrad für überteuerte Geräte versprechen. Für die Warmwasserbereitung in Singlehaushalten können vollelektronisch geregelte Durchlauferhitzer (die keinen nennenswerten Stand-By-Verlust verursachen) eine sinnvolle Lösung sein.
  
• Indirekte Nutzung - Wärmepumpe:
  
• Grundsätzlich gegenüber direkter Nutzung vorzuziehen, weil aus einer Kilowattstunde elektr. Energie 2 bis 8 kWh Wärme aus einer Wärmequelle entzogen wird (Kühlschrankprinzip). Bei Wasser- und Solesystemen können Genehmigungen nötig werden.

• Luftwärmepumpe: günstige Anschaffung, jedoch geringste Effizienz, wenn keine warme Abluft bei Heizbedarf zur Verfügung steht. Vergleichsweise hoher, spezifischer Hilfsenergienbedarf (Ventilator). Bei einfachen Direktverdampfersystemen (z.B. Klimasplitgerät) geringerer Anlagenaufwand, jedoch eingeschränkter Komfort durch Geräuschentwicklung und Luftbewegung im Raum. Größter Mangel: Bei Nutzung von Außenluft als Wärmequelle sinkt der COP / EER bei niedrigen Temperaturen genau dann, wenn das höchste Temperaturniveau für eine Raumheizung benötigt wird. Es bieten sich hier bivalente Anlagen an, die durch Umschalten auf oder Nachheizen mit anderen Energieträgern diesen Systemnachteil mindern.

• Wasser/Wasserwärmepumpe: In der Regel Nutzung von Grundwasser, höhere Kosten durch Bau von Saug- und Schluckbrunnen, durch Grundwasser weitgehend konstante Temperaturen von 10-15°C, kostengünstige Direktkühlung (d.h. ohne Wärmepumpe) möglich; Nachteil: Je tiefer der Brunnen, desto höher der Bedarf an Hilfsenergie, Mineralien können bei schlechter bzw. schwankender Wasserqualität zur Verstopfung des Schluckbrunnens und einer nötigen Brunnensanierung führen. Genehmigung der zuständigen Behörde (z.B. Umweltamt) nötig. Theoretisch sind auch andere warme Wässer für Wärmepumpen nutzbar: Abwasser bzw. in Rohrnetze eingespeiste Abwärme, Zisternenwasser, Seen + Flüsse --> Genehmigungen, höherer Planungsaufwand zur Abklärung der zeitlichen Verfügbarkeit und Stoffeigenschaften, ggfs. ist eine indirekte Nutzung mit Solekreis für den Betrieb sicherer
  

• Sole/Wasserwärmepumpe: Technisch ähnlich zur W/W-Wärmepumpe, jedoch wird die Energie durch einen geschlossenen Solekreislauf aus einer Energiequelle abtransportiert. Die Sole sorgt für einen problemlosen Betrieb, wenn Temperaturen unter 0°C im Kreislauf erreicht werden. Die einsetzbaren Quellen sind vielfältig: Betonabsorber, Erdkollektor, Erdsonden, Energiezäune, Solarthermieanlagen. Die Effizienz wird durch die Quelle beeinflußt. Je näher die Quellen-Temperatur an der Heiztemperatur und je geringer der Temperaturhub, desto höher der COP / EER. Das mögliche Temperaturniveau ist abhängig von Kältemittel und Herstellerauslegung des Verdichters.
  

Alle weiteren Wärmeversorgungsysteme sind nur Abwandlungen odeer Kombinationen davon. BHKWs lasse ich hier außen vor, weil sie in Privathaushalten nur selten wirtschaftlich sind. Ausnahmen können große Denkmalschutzobjekte sein, die einen ganzjährig hohen Energiebedarf haben. In der Regel ist die Investition in Energiespartechnik erheblich günstiger. Bei BHKW-Kosten von bis zu 10.000 €/kW_el erscheint ein Erdgas beheizter Wäschetrockner oder eine A+++-Markenwaschmaschine als geradzu unverschämtes Billigangebot und kann für für wenige hundert Euro die bezogene elektrische Leistung um ein Kilowatt zumindest jedoch die bezogene elektrische Arbeit nachhaltig reduzieren.
Nachdem in den letzten Jahren die Nah- und Fernwärme massiv ausgebaut wurde, soll diese gründlicher betrachtet werden:
Die Vielfalt der technischen Lösungen und eingesetzten Energieträger und -formen läßt keine auf jede Anlage passende vollständige Aussage zu. Es gibt jedoch unvermeidbare physikalische Eigenschaften, die gegen die Nah-/Fernwärme und für die eigene Heizung im Keller spricht:

• Hoher zusätzlicher Investitionsaufwand: Jeder Wärmeabnehmer benötigt eine Wärmeübergabestation und seine eigenen Rohre und Heizkörper sowie eine Regelung wie auch bei einer hauseigenen Heizanlage. Zusätzlich dazu benötigt man einen Wärmeerzeuger je Gebäude (die Leistung summiert auf einen oder mehrere Großkessel in einer Heizzentrale) und mindestens eine Pumpenanlage und ein Rohrnetz sowie übergeordnete Leittechnik. Bei schlechter Standortwahl und Systemplanung (Nahwärme) zusätzlich noch ein Kesselhaus, in dem die Kessel und Pumpen untergebracht sind. Diese Investitionen werden auf alle Wärmeabnehmer umgelegt, meistens als Grundgebühr oder Leistungspreis
• Die Nah-/Fernwärmeleitung, oft mehrere Kilometer lang, liegt in der Regel über 40 Jahre im Boden. Dabei verliert sie je nach Betriebsweise und Dämmstandard mehr oder weniger Wärme. Ungedämmte Dampfleitungen können bei über 500W/m (>DN100) liegen, gut gedämmte Niedertemperaturleitungen bei unter 10 W/m (< DN25).
  
• Wird die Nah-/Fernwärmeleitung ungeregelt 8.760h/a auf Temperatur gehalten, liegen die jährlichen spezfischen Verluste entsprechend bei ca. 40 kWh/m*a bis 4,4 MWh/m*a.
  
• Die Leitungsverluste können minimiert werden, wenn die Nutzungszeiten der Leitung minimiert werden. Eine Möglichkeit ist eine Kommunikation zwischen Erzeugung und Wärmeabnahme per Datenfernübertragung (DFÜ) um Wärme nur auf dem maximal notwendigen Temperaturniveau zu erzeugen und zu verteilen und nur dann wenn eine Abnahme besteht. Für die Erhöhung von Laufzeiten der Grundlastversorgung können bei zu geringer Abnahme Pufferspeicher (zentral oder auch dezentral) aufgeheizt werden, die Spitzen im Wärmebedarf decken.
  
• Die Erfahrung mit Bestandsnetzen zeigt, dass nach Errichtung von Nahwärmenetzen der Wärmebedarf des Gebäudebestands sinkt. Der Gebäudebestand wird unvermeidlich verbessert, z.B. wenn alte Fenster erneuert oder Dächer saniert werden. Die im Boden vergrabenen Rohrleitungen der Wärmeversorgung bleiben jedoch. Somit sinkt der Nutzwärmeanteil im Gesamtsystem, die Verluste bleiben konstant oder steigen wegen Undichtigkeiten und nasser Dämmung. Letztlich zahlt der Wärmekunde für weniger Nutzwärme einen höheren spezifischen Preis. Ohne vertragliche Bindung kann es zur Abwanderung von Wärmekunden kommen.
  
• Schlimmstmöglicher Fall: Aufbau eines Nahwärmenetzes obwohl bereits bekannt ist, dass die Hauptabnehmer generalsaniert oder abgerissen und neugebaut werden.
  
• Viele Nahwärmesysteme leiden unter einem systembedingten Fehler: Durch Zusammenlegen von zuvielen Gebäuden mit gleichem Nutzungsprofil kann keine Leistungsreduzierung umgesetzt werden. Beispiel: Schulen und Wohngebäude haben in etwa den gleichen Heizbeginn. Der Leistungsbedarf kann kaum durch einen Gleichzeitigkeitsfaktor abgemindert werden. Außerhalb der Schulzeit werden nur geringe Wärmemengen benötigt. Eine Aufteilung der installierten Heizleistung auf zwei (oder mehr) Wärmeerzeuger kann hier Abhilfe schaffen. Ein Wärmerzeuger sollte dabei speziell für die Zeiten mit Minderleistung ausgelegt sein. Einen ökologischen Vorteil haben solche Anlagen in meinen Augen erst dann, wenn Abwärme aus Solar- und KWK-Anlagen oder aus gewerblichen Prozessen genutzt werden kann.
  
• Der Biomasse-Boom in Bayern hat auch zahlreiche Anlagen hervorgebracht, die sowohl im Spitzenlast-Bereich (hohe Abnahme im Winter) und im Kleinlastbereich (nur Warmwasserbereitung im Sommer) gar nicht so "bio" sind. Diese Anlagen schalten auf zusätzlichen oder alleinigen Betrieb von Erdgas- oder Heizölkessel um. Nachdem die Abnahme im Laufe der Jahre sinkt, wird der Kleinlastbereich im Laufe der Jahre öfter erreicht.
• Laufende Kosten: Es ist kein Naturgesetz, dass Nah-/Fernwärme teuer sein muss. Leider ist sie nur dann günstig, wenn Genossenschaften aktiv kontrolliert oder Betreiber mit Herzblut an einer effizienten Bewirtschaftung interessiert und informiert sind. Viele Anlagen müssen jedoch verkraften, dass direkt teueres Personal oder indirekte Umlagen mitfinanziert werden. Günstig würde die Wärme, wenn sie aus Abwärme aus gewerblichen Prozessen einfach eingebunden werden kann.
  

Wie würde ich heizen?

Es kommt darauf an...

• Singlehaushalt / Wohnung: Erdgasheizung, möglichst mit Brennwerttechnik, Warmwasser im Durchlaufprinzip - Vorteile: schnell, kostengünstig, leichte Kontrolle des Verbrauchs durch geeichte Zähler, direkte Einflussnahme der Einstellungen bei Etagenheizungen
  
• Einfamilienhaus: Grundsätzlich Solarthermieanlage, ergänzt durch eine dem Standort angepaßte Wärmeerzeugung, z.B. Wärmepumpe oder Stückholzkessel
• Bei sinkendem Wärmebedarf durch immer strengere Dämmwertvorgaben kann in Zukunft ein einzelner Miniatur-Holzofen für ein komplettes Wohngebäude bereits ausreichen
  
• Nahwärme: Am besten meiden... Wenn sie schon existiert: Nutzung auf niedrigem Temperaturniveau und Nachheizung mit Pelletofen und externer Warmwasserbereitung, Einbindung von Abwärme/Solar, dezentrale Wärmeerzeuger, ggfs. zentraler Pufferspeicher.
  
• Belastbare Aussagen zu konkreten Wärmeerzeugern, Gebäuden und Nah-/Fernwärmenetzen aber auch rechtlichen Rahmenbedingungen kann man nur vor Ort treffen. Da hilft der Gang zum Fachplaner.