26. Juli 2023

Eine Infrarotheizung als Spitzenlastsystem für Wärmepumpensysteme in Bestandsgebäuden – eine technische Analyse
Die Energiewende, und hier speziell die Wärmewende, hat die Dekarbonisierung des Gebäudebestandes zum Ziel. Mit dem neuen Referentenentwurf der Bundesregierung zum Gebäudeenergiegesetz vom 19. April dieses Jahres wird dies unterstrichen und das Ziel 65 % erneuerbarer Energieanteil zur Gebäudebeheizung festgeschrieben. Öl- und Gasheizung sollen als Heizsysteme vorrangig durch Wärmepumpensysteme und Versorgungssysteme auf Basis von Fern- und Nahwärme abgelöst werden. Das hat Auswirkungen auf die Wärmeübertragungsflächen in Bestandsgebäuden. Denn sie reichen oft nicht aus, den Wärmebedarf des Raumes zu decken. Zusätzliche Infrarotheizflächen können dieses Defizit decken.

Wärmepumpensysteme arbeiten umso effizienter, je näher die Quellen- und die Senkentemperatur zueinander liegen. Im heizungstechnischen Kontext bedeutet dies, möglichst niedrige Systemtemperaturen zu fahren. Bei Bestandsgebäuden sind niedrige Systemtemperaturen nicht immer realisierbar, da reduzierte Temperaturen eine geringere Leistung des wärmeübertragenden Systems im Raum bedeuten, was zu einer Beeinträchtigung der wärmephysiologischen Verhältnisse führen würde.
In einer von der TU Dresden zusammen mit der Interessengemeinschaft (IG) Infrarot Deutschland e. V. durchgeführten technischen Studie [1] wird dieses Themengebiet aufgegriffen und analysiert, ob ein Wärmepumpensystem ergänzt durch eine Infrarotheizung als Spitzenlastsys­tem zu behaglichen Zuständen im Raum während der Nutzungsphase führen kann, ohne dass die freien Heizflächen ausgetauscht werden. Hierzu wurde an einem Modellgebäude nach WSVO95 (Bild 1) zunächst ausgehend von einem Heizsystem mit Gas-Niedertemperaturgerät mit einer Auslegung auf  ϑ_V=70/ϑ_R=55/ϑ_i=20°C die Systemtemperatur abgesenkt und die fehlende Heizleistung durch raumweise installierte Infrarotheizsys­teme ergänzt. In einem zweiten Schritt erfolgte der Austausch der Wärmeerzeugung durch eine Wärmepumpe inklusive eines Pufferspeichers mit einer Größe von  V = 200 l. Das hydraulische Verteilsystem sowie die Wärmeübergabeeinrichtungen und die Gebäudehülle wurden hierbei nicht verändert.
Hinsichtlich des technischen Systems der Infrarot (IR)-Heizung wurden Heizpaneele verwendet, die auf die Raumheizlast dimensioniert sind. Die Orientierung (Bild 2) der Paneele wurde im geometrischen Gebäudemodell jedoch nicht ortsscharf realisiert, sondern über einen Strahlungswirkungsgrad von 50% berücksichtigt. Dies ist eine Vereinfachung, die gewählt wurde, um zunächst grundsätzliche verallgemeinerbare Aussagen ableiten zu können.
Hinsichtlich des Nutzerverhaltens wurde innerhalb der Studie ein Vier-Personen-Haushalt im Modellgebäude hinterlegt. Alle Räume wurden mit zeitlich abhängigen inneren Wärmegewinnen und Luftwechselraten je nach Nutzung beaufschlagt. Details der Modellierung sind zusätzlich in [1] zu finden. Die gesamten Analysen wurden mit dem an der TU Dresden umfänglich weiterentwickelten numerischen Simulationsprogramm TRNSYS-TUD durchgeführt [2].

Ergebnisse
Wie eingangs beschrieben erfolgte in einem ersten Schritt die Bestimmung des Ist-Zustandes des dokumentierten Gebäudes nach WSVO95 [5]. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse dieser Analysen. Demnach entstehen aufgrund der durchgehenden Betriebsweise des Heizsystems energetische Mehraufwendungen für das Gebäude gegenüber einer intermittierenden Betriebsweise. Dies ist nicht verwunderlich, da durch die intermittierende Betriebsweise die mittleren Raumtemperaturen deutlich unter den Raumtemperaturen der durchgehenden Betriebsweise liegen. In den Bildern 3 und 4 wird dies nochmals grafisch dargestellt.
Für beide Varianten werden die operativen Raumtemperaturen zur Nutzungszeit eingehalten.
In einem zweiten Schritt der Untersuchungen wurden die Auslegungssystemtemperaturen des hydraulischen Systems auf ϑ_V = 40/ϑ_R = 30/ϑ_i = 20°C abgesenkt und das so entstandene Leistungsdefizit durch eine Infrarotheizung in den Räumen kompensiert. Tabelle 2 liefert die Ergebnisse der Untersuchung.
Die Ergebnisse zeigen, dass je nach Randbedingung der Anteil der IR-Heizung an der Gebäudebeheizung zwischen 26% und 30% liegt. Die wärmephysiologischen Kriterien werden bei dieser Systemkombination bei allen Räumen eingehalten. Exemplarisch hierfür sei dies durch die Summenhäufigkeiten der operativen Raumtemperatur nach Bild 5 dokumentiert. Als vorteilhaft erweist sich eine Nachtabschaltung in Abhängigkeit der Außentemperatur (ϑ_a = 3°C), welche Energieeinsparungen mit geringer Beeinträchtigung der wärmephysiologischen Verhältnisse im Raum ermöglicht.
Im nächsten Schritt der numerischen Analysen erfolgte der Austausch des NT-Gerätes durch ein Wärmepumpen-System mit Pufferspeicher. Die energetischen Ergebnisse für das Modellgebäude sowie die sich einstellenden operativen Raumtemperaturen für den repräsentativen Raum sind der Tabelle 3 sowie dem Bild 6 zu entnehmen.
Auch für diese Varianten ist ersichtlich, dass der Anteil der IR-Heizung von der Betriebsweise abhängig ist. Durch den COP-Wert (COP (Coefficient of Performance) der Wärmepumpen können signifikant sinkende Bedarfswerte für die Endenergie erreicht werden. Grundsätzlich ist aus den operativen Raumtemperaturen zu detektieren, dass die Heizaufgabe durch die Systemkombination von hydraulischen Wärmepumpensystemen und IR-Heizungen gewährleis­tet werden kann. Die Unterschreitung der operativen Raumtemperaturen ist gering.

Fazit
Die Analysen der Untersuchung zeigen, dass aus technischer Sicht die Kombination aus Wärmepumpensystem und IR-Heizung ohne Austausch der Heizkörper zur Erfüllung der Heizaufgabe möglich ist und zu keinen Beeinträchtigungen in Hinblick auf die Wärmephysiologie im Raum für das den Untersuchungen zugrunde gelegte Modellgebäude nach WSVO95 führt. Der große Vorteil der IR-Heizung besteht dabei in der nahezu trägheitslosen Einbringung der Wärme, wodurch stark intermittierende Betriebsweisen realisiert werden können. In Hinblick auf die Erreichung des 65%-Ziels aus dem Entwurf des Gebäudeenergiegesetzes wird dieses Kriterium nahezu für alle Varianten mit Verwendung einer Wärmepumpe eingehalten. Damit zeigt die Studie einen technischen Lösungsansatz für eine Klasse von Gebäuden auf, ohne das Sekundärsystem und die Gebäudefassade deutlich zu verändern. Um wirtschaftliche Aussagen treffen zu können, sind weitere Analysen notwendig, welche aber nicht Gegenstand dieser Untersuchung waren.

Literatur:
[1] Knorr, M.; Meinzenbach, A.; Schinke, L.; Seifert, J.; Perschk, A.: Potentialbewertung von Infrarotheizungen als Spitzenlastabdeckung; Forschungsbericht TU Dresden, 2023
[2] Perschk, A.: Gebäude und Anlagensimulation – Ein „Dresdner Modell“ in: Gesundheitsingenieur (2010), August, Nr. 4
[3] Perschk, A.: Gebäude-Anlagen-Simulation unter der Berücksichtigung der hygrischen Prozesse in den Gebäudewänden, Fakultät für Maschinenwesen, TU Dresden, Diss., 2000
[4] Seifert, J.: Zum Einfluss von Luftströmungen auf die thermischen und aerodynamischen Verhältnisse in und an Gebäuden, Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität Dresden, Diss., Oktober 2005
[5] WSVO95: Dritte Wärmeschutzverordnung 1995, Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden, 1.1.1995

Autorenschaft:
Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dr.-Ing. Martin Knorr, Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach und Dr.-Ing. Alf Perschk, alle Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik