Bedarfsabhängige Vorlauftemperatur

Bisher wird die Vorlauftemperatur von Zentralheizungen in größeren Wohngebäuden überwiegend außentemperaturabhängig gesteuert. Durch Reserven bei der Lastberechnung, Fremdwärme, Speichereigenschaften der Gebäudekonstruktion, zeitlich unterschiedlichen Raumtemperaturbedarf und Sicherheitszuschläge bei der Heizkurveneinstellung ist die Vorlauftemperatur aber nahezu ganzjährig zu hoch. Zur Optimierung müsste man die Vorlauftemperatur permanent so lange variieren, bis bei den Heizkörpern Heizlast und Heizleistung im Gleichgewicht sind.

Ähnlich geht Techem mit ecotech vor. Das System nutzt dazu ohnehin vorhandene Informationen der funkgestützten Verbrauchserfassung, berechnet daraus einen Korrekturwert für die Vor­lauftemperatur und übermittelt diesen an die Zentralheizung. Das reduziert den Energieverbrauch um 7 bis 10 % verspricht der Energiedienstleister und kann dies auf der Basis von zwölf messtechnisch ausgewerteten Anlagen auch belegen. Die Auswertungen wurden von Prof. Dr.-Ing. Markus Tritschler, Mitglied der Fakultät für Versorgungstechnik und Umwelttechnik der Hochschule ­Esslingen, überprüft. Im Mittel liegen hier die ­Einsparungen sogar über 10 %.

Die TGA-Redaktion sprach bei Techem mit dem Bereichsleiter Geräteentwicklung Dr. Arne Kähler über ecotech.

TGA: Herr Dr. Kähler, vor gut einem Jahr haben Sie ecotech erstmals öffentlich vorgestellt und beim ersten Pilotprojekt Ihre Einsparprognose von 7 bis 10 % sogar leicht überschritten, wie ist der aktuelle Stand?

Kähler: Inzwischen profitieren Bewohner in rund 5500 Wohnungen in ganz Deutschland von den Vorteilen des ecotech-Systems. Zwölf Anlagen mit insgesamt 648 Wohnungen haben wir bisher gemeinsam mit Prof. Tritschler vertieft ausgewertet. Die jährliche Heizenergieeinsparung durch die automatische Adaption der Vorlauftemperatur lag dabei gradtagzahlbereinigt im Mittel sogar über 10 % bzw. bezogen auf die Wohnfläche betrug sie 12,9 kWh/(m² a). Unsere Auswertungen zeigen auch, dass die Einsparungen nicht, wie von der Fachwelt anfangs vermutet, hauptsächlich in der Übergangszeit auftreten. Tatsächlich haben wir sogar gegensätzliche Tendenzen festgestellt, wobei in jedem Monat gespart wird. Wir sehen damit nicht nur unsere Technik, sondern auch unser Versprechen bestätigt. Mit einer zurzeit laufenden Klassifizierung von Gebäuden wollen wir unsere Prognose für ein konkretes Gebäude noch genauer machen. Einsparungen von ca. 11 % haben wir übrigens auch ausschließlich mithilfe der Vorlauftemperaturadaption mit den elektronischen Einzelraumregelungssystemen assisto und comfort-tech in über 2000 Wohnungen erreicht.

TGA: Welches Einsparpotenzial hat ecotech?

Kähler: Techem hat in Deutschland einen Marktanteil von rund 30 % an den 16,7 Mio. zentral­beheizten Wohnungen. Würden wir unseren Bestand mit ecotech ausstatten – das entspräche also ca. 5 Mio. Wohnungen – könnten wir jährlich etwa 4,6 TWh einsparen. Das entspricht bei heutigen Ener­giepreisen einem jährlichen Einsparvolumen von etwa 280 Mio. Euro. Damit könnte der CO₂-Ausstoß um ca. 1,2 Mio. Tonnen pro Jahr reduziert werden.

TGA: Wie setzt sich die Einsparung zusammen?

Kähler: Aus drei Komponenten: Aus einer geringeren Vorlauftemperatur resultiert eine geringere Kesseltemperatur, wodurch die Abstrahlungs- und Bereitstellungsverluste sinken. Ebenso führt die Vorlauftemperaturabsenkung zu geringeren Rohrleitungsverlusten. Weiterhin gehen wird davon aus, dass sich einerseits die Güte der Raumtemperaturregelung verbessert infolge geringerer Drosselung der Heizkörperventile und andererseits die Lüftungswärmeverluste während der Fensterlüftung reduziert werden. Messen können wir nur den Gesamteffekt. Hier entspricht eine zeitlich-gemittelte Vorlauftemperaturabsenkung von 1 K einer Einsparung von ca. 2 bis 3 %. Studien, mit denen die einzelnen Anteile auf theoretischer Basis genauer quantifiziert werden können, werden gerade fertig gestellt.

TGA: Wie sieht es mit den monetären ­Einsparungen aus?

Kähler: In einer Wohnung mit durchschnittlicher Größe und Energieverbrauch würde ecotech bei Fernwärme rund pro Jahr 32 Euro einsparen (angenommener Arbeitspreis 0,04 Euro/kWh), bei Heizöl rund 53 Euro (bei 0,05 Euro/kWh) und bei Erdgas rund 74 Euro (bei 0,07 Euro/kWh). Die Kosten für ecotech betragen pro Wohnung und Jahr weniger als 30 Euro für Wartung und Infrastruktur, bezogen auf ein Mehrfamilienhaus ab zehn Wohneinheiten. In den Kosten ist auch die Fernüberwachung durch unseren Leitstand enthalten. Oft trägt der Vermieter die Kosten für das ecotech-Modul im Heizungskeller, dann liegen die jährlichen Kosten pro Wohnung und Jahr in einer Größenordnung von nur noch 18 Euro.

TGA: Die Grundidee von ecotech ist ein ­Aufsatteln auf vorhandene Technik ohne Veränderungen am Heizkörper oder im hydraulischen System?

Kähler: Das ist richtig. Ecotech setzt lediglich eine Zweirohrheizungsanlage sowie in den Wohnungen eine Ausstattung der Heizkörper mit gewöhnlichen Thermostatventilen und mit Techem Funkheiz­kostenverteilern data III voraus, die seit Herbst 2006 verfügbar sind. Wann der Kunde die Entscheidung fällt, ecotech-fähige Funkheiz­kostenverteiler nicht nur für die funkgestützte Verbrauchserfassung zu nutzen, sondern damit auch die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage zu optimieren und Energie zu sparen, bleibt ihm über­lassen. Denn die bereits installierten data III Funkheizkosten­verteiler sind jederzeit für das Ener­giesparsystem ecotech einsetzbar. Die Installation der für ecotech erforderlichen Datensammler und des ecotech-Moduls erfolgt außerhalb der Wohnungen. Somit ist die Inbetriebnahme des ecotech-Systems ohne Wohnungszutritt jederzeit nach Ausstattung der Heizkörper möglich. Für den Mieter ändert sich also nichts. Er hat ­weiterhin seine bekannten Heizkostenverteiler und bedient wie gewohnt sein Heizkörperthermostatventil. Das ecotech-Modul, das die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage optimiert, wird im Keller installiert. Ecotech spielt sich damit außerhalb der Wohnungen ab.

TGA: Und wie funktioniert ecotech?

Kähler: Der Grundgedanke besteht darin, ­zunächst den Wärmebedarf einer einzelnen, mit Heizkörpern ausgestatteten Wohnung zu erfassen. Das kleinste Element ist dabei der Heizkörper. An diesem berechnen wir aus der zentral ge­messenen Vorlauftemperatur und den Daten, die uns der elektronische Funkheizkostenverteiler aus der Verbrauchserfassung „frei Haus“ liefert, die relative Heizkörperleistung. Um das anschaulicher zu machen, haben wir den Begriff „Ver­sorgungszustand“ eingeführt. Der angestrebte Versorgungszustand „0“ entspricht dabei einer Heizleistungsreserve des Heizkörpers von ca. 20 %. Der Heizkörper gibt dann ca. 80 % der ­Leistung ab, die bei der aktuellen Vorlauftemperatur und vollem Auslegungsvolumenstrom erreicht würde. Der angestrebte Ziel-Arbeitsbereich von ecotech von 80 % ±5 % Heizkörperleistung entspricht je nach Ventilautorität und Ventilkennlinie einem Massestromverhältnis von rund 40 %, so dass genügend Heizleistungsreserve zur Ver­fügung steht, um beispielsweise eine Fenster­lüftung oder entfallende Fremdwärmequellen ­auszuregeln.

TGA: Sie sprachen die zentral gemessene Vorlauftemperatur an.

Kähler: Die Vorlauftemperatur ist für die Funktion unbedingt erforderlich. Um unabhängig von anderen Systemen und einer Verkabelung zu sein, setzen wir dafür einen batterie­betriebenen Fernfühler-Funkheizkostenverteiler ein. Bei diesem ist der heizkörper­seitige Temperaturfühler als Anlegefühler ausgeführt und wird mit geringem Aufwand ohne externe Spannungsversorgung an der Vorlaufleitung befestigt. Bei kleinen Anlagen erfolgt die Messung zentral, existieren mehrere Regelkreise, erhält jeder einen eigenen Vorlauftemperaturfühler. Bei großer Netzausdehnung empfehlen wir auch schon einmal einen Anlegefühler pro Strang.

TGA: Bisher haben wir bei vorhandenen Funkheizkostenverteilern data III „nur“ einen oder mehrere Vorlauftemperaturfühler platziert. Wie geht es weiter?

Kähler: Nun müssen noch die Daten eingesammelt werden. Je nach Gebäudegröße werden dafür ein oder mehrere netzbetriebene ecotech-Datensammler installiert. Aber nur, wenn noch keine Fernablesung installiert ist. Die Datensammler geben ihre Daten an den ecotech-MasterDatensammler weiter. Der ermittelt die Versorgungszustände sämtlicher Heizkörper und verdichtet per Fuzzy-Logic daraus einen Gebäude- bzw. Heizkreisversorgungszustand und daraus die Vorlauftemperaturkorrektur. Außerdem werden in einer etwa einwöchigen Einfahrphase acht außentemperaturabhängige Vorlauftemperatur-Korrekturkurven erlernt, vier für Werktage, vier für Wochenendtage. Mit einem ecotech-Modul („WAM“ oder „KAS“) wird dem Fernwärme- oder Kesselregler ein Korrektursignal für die Vorlaufsolltemperatur übermittelt.

Die Grundeinstellung des Vorlauftemperatur-Korrekturbereichs beträgt –6…0 K. Nur im Anschluss an die Nachtabsenkung nehmen wir in der Aufheizphase für zwei Stunden keine Korrektur vor. Grundsätzlich werden die in der Einfahrphase erlernten Korrekturkurven täglich adaptiert, zusätzlich erfolgt alle zwei Stunden eine dynamische Nachkorrektur der Werte aus den Korrekturkurven in einem Bereich von -2…+ 3 K. Eine weitere Festlegung ist, dass wir die Sollvorlauftemperaturen bis minimal 35 °C korrigieren. Das hat sich aus der Erfahrung mit den ersten Anlagen ergeben. Eine weitere Reduzierung führt auch bei ausreichender Beheizung mitunter zu häufigeren Nutzerbeschwerden, weil die Wärmeabgabe des Heizkörpers nicht mehr fühlbar ist. Das ist aber kein ecotech-Problem, sondern in der Wohnungswirtschaft bestens bekannt.

TGA: Sie haben erwähnt, dass das System acht außentemperaturabhängige Vorlauftemperaturkurven erlernt. Inwieweit unterscheiden sich diese Kurven bei vergleichbaren Gebäuden?

Kähler: Zunächst möchte ich ergänzen, dass die tageszeit- und tagestypabhängigen Vorlauftemperaturkorrekturkurven ausfallsicher im System gespeichert werden. Sie unterscheiden sich bei vermeintlich gleichen Gebäuden durchaus erheblich und sind sozusagen ein Fingerabdruck des Gebäudes und seiner Nutzer. Die ständig aktualisierten Korrekturkurven geben somit den zeitlich abhängigen Wärmebedarf des gesamten Gebäudes, bestehend aus Hülle, Anlagentechnik und Nutzer, wieder. Außerdem zeigt die Form der Korrekturkurven, dass die von ecotech optimierte Vorlauftemperatur von gewöhnlichen Reglern nicht abgebildet werden könnte. Selbst bei akribisch eingestellter Vorlauftemperaturregelung kommt es wegen des zeitlich abhängigen Wärmebedarfs aufgrund des Nutzerverhaltens und durch Fremdwärme zu maßgeblichen Korrekturen.

TGA: Sie haben auf den zeitlich abhängigen Wärmebedarf hingewiesen. Ein ausgeprägter Fall ist die morgendliche Aufheizung nach ­einer Nachtabsenkung, die insbesondere mit steigendem Dämmstandard planerisch zu ­berücksichtigen ist. Dafür gibt es zwei prinzipielle Optionen: Die planmäßige Vergrößerung der Heizflächen oder die temporäre Erhöhung der Vorlauftemperatur. Sehen Sie diesbezüglich auch die positive Vorlauftemperaturkorrektur als eine mögliche Erweiterung für ecotech?

Kähler: Wir haben festgestellt, dass die Basisheizkurve typischerweise ausreichende Heizleistungsreserven enthält, um den erhöhten Wärmebedarf nach der Nachtabsenkung zu decken. Um diese Heizleistungsreserve während der Anheizphase nach der Nachtabsenkung nicht zu reduzieren, führt ecotech bis zu zwei Stunden nach der Absenkphase keine Korrektur der Vorlauftemperatur durch. In diesem Zeitraum wird die Basisheizkurve verwendet. Eine Anhebung der Vorlauftemperatur über die Basisheizkurve hinaus halten wir im aktuellen Wohnungsbestand für noch nicht erforderlich.

TGA: Welchen Einfluss hat der Dämmstandard auf das Einsparpotenzial?

Kähler: Das prozentuale Einsparpotenzial für Raumheizwärme ist nach unseren Erfahrungen in besser gedämmten Gebäuden höher. Mit ecotech spart man auch in energetisch modernisierten ­Gebäuden, auch bei Verbräuchen unter 70 kWh/(m² a). Es ist sogar auffällig, dass hier die höchsten relativen Einsparungen erzielt werden.

TGA: Welchen Einfluss hat die Qualität des Hydraulischen Abgleichs auf den Erfolg von ecotech? Könnte nicht ein massiv unterversorgter Heizkörper die ganze Korrektur ausbremsen?

Kähler: „Ausgebremst“ wurde ecotech bisher nicht. Es ist aber in der Tat so, dass mit abnehmender Qualität des Hydraulischen Abgleichs die Anzahl ­unterversorgter Heizkörper zunimmt und damit das mit ecotech detektierbare Absenkpotenzial reduziert wird. Das liegt daran, dass in der Fuzzy-Logic von ecotech unterversorgte Heizkörper wesentlich stärker gewichtet werden als überversorgte Heizkörper. Generell lässt sich sagen, dass sich ein guter Hydraulischer Abgleich und ecotech hinsichtlich ihrer energetischen Einsparung sehr gut ergänzen.

TGA: Erwarten Sie, dass der Wettbewerb ein zu ecotech vergleichbares Produkt anbieten wird?

Kähler: Da wir von unserem System überzeugt sind, sind wir auch davon überzeugt, dass über kurz oder lang Wettbewerber vergleichbare Wege gehen werden. Aktuell ist es allerdings so, dass der Wettbewerb nachzuweisen versucht, dass das ecotech-Verfahren die in ihm definierten und dokumentierten Funktionen nicht umsetzt und die messtechnisch festgestellten Energieeinsparungen nicht erreicht werden. Vorrangig kommt das von Herstellern, die technologisch ein ähnliches Produkt in absehbarer Zeit nicht entwickeln werden können.

TGA: Wie werden Sie darauf reagieren?

Kähler: Bereits in der Pilotphase aber auch heute – über ein Jahr nach dem Produktstart – ­belegen die Verbrauchsanalysen der mit ecotech ausgestatteten Gebäude, dass unser System 7 bis 10 % Energie spart – teilweise sogar mehr. Die ­Akzeptanz unserer Kunden für das Produkt ist ­deshalb groß. Eine wichtige Rolle für die hohe Kundenzu­friedenheit spielt auch, dass es keine Klagen von Mietern in Verbindung mit ecotech gibt. Dies allein zeigt, dass ecotech tatsächlich funktioniert und die versprochenen Energieeinsparungen erzielt werden. Die Wohnungswirtschaft verlangt jedoch generell zusätzliche wissenschaftliche Belege. Daher lassen wir die Einsparergebnisse von ecotech regelmäßig von Prof. Tritschler überprüfen. Erste Ergebnisse werden wir in den nächsten Wochen veröffentlichen. Außerdem untersucht die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Richter der TU Dresden die Einzeleffekte der Energieeinsparung in der gesamten Prozesskette Wärmerzeugung, -verteilung und -übergabe.

TGA: Der Vorteil von Regelungstechnik und damit auch von ecotech kommt in den Regelwerken zur energetischen Bewertung von Gebäuden bisher kaum zur Geltung. Wird sich das ändern?

Kähler: Es ist in der Tat so, dass eine hochwertige Regelungstechnik in den Regelwerken noch nicht honoriert wird. Beispielsweise schneiden in DIN 4701-10 elektronische Heizkörperregler im Verhältnis zu normalen Thermostatventilen zu schlecht ab. Vernetzte Systeme wie ecotech finden hier bisher gar keine Berücksichtigung. Auch in den in Vorbereitung befindlichen europäischen Normen spielt der Vernetzungsgedanke noch nicht die Rolle, die er nach unserer Einschätzung haben sollte. Ein erster Lichtblick ist der Norm-Entwurf DIN EN 15232 „Methode zur Kalkulation der Energieeffizienzverbesserung durch den Einsatz von integrierten Gebäudeautomationssystemen“ (August 2005). Ich bin mir aber sicher, dass der Vernetzungsgedanke in den nächsten Jahren stärkeren Niederschlag in den Normen haben wird. Schon allein, weil der Markt diese Systeme fordert und der Effekt signifikant ist.

TGA: Vielen Dank für das Gespräch. JV