EINE ENERGIESPARENDE REGELUNG FÜR DIE TRÄGE FUSSBODENHEIZUNG - EIN BEITRAG ZUM ERREICHEN DER KLIMAZIELE
Grundlagen- und Anwendungsforschung führen zur Problemlösung.
Ein wichtiger Abschnitt in der Berufsausbildung von Peter Gabanyi war eine Lehre im Heizungsfach auf der Baustelle. Diese praktische Erfahrung war auch die Basis für die weitere Ausbildung. Das Studium der Energie- und Versorgungstechnik und Bauingenieurwesen sicherten die hierzu notwendigen theoretischen Fachkenntnisse in Thermodynamik, Hydraulik und Bauphysik. Die Auslegungsmethodik der unterschiedlichen Systeme, Richtlinien, Normen der Fußbodenheizung lernte er zwangsläufig Anfang der 70er Jahre durch Erstellung der deutschlandweit ersten Software für Heizungsberechnungen.
Durch den Betrieb eines Rechenzentrums für angewandte Heiztechnik mit eigener Software hat er seit 1974 fast fünfzig Jahre praktische Erfahrung mit der Fußbodenheizung gemacht. In dieser Zeit wurden im Rechenzentrum mehrere tausend Bauvorhaben mit Fußbodenheizung unterschiedlicher Systeme für verschiedene Ingenieurbüros gerechnet. Fachgespräche mit den Projektleitern im Zusammenhang mit Besonderheiten zur Technik, zu Systemen und den Bauvorhaben haben als riesiger Infopool seinen Erfahrungsschatz erweitert.
Vermutlich hat die fundierte Berufsausbildung und eine Portion Neugierde und Skepsis dazu geführt hat alles zu hinterfragen. Das hat dazu geführt, dass er seit 1975 mehrere Patente erteilt bekommen hat, die teilweise bis heute auf dem Markt sind. Es waren im Wesentlichen Verbesserungen, also Symptombehandlung der über fünfzig Jahre alten Drossel-Regelung (Stand der Technik) der Fußbodenheizung. Leider gibt es erst seit etwa fünfzehn Jahren die technischen Voraussetzungen für eine neue, intelligente, energiesparende Regelung der trägen Fußbodenheizung.
Ein weiser Mann soll einmal gesagt haben: „Das Problem zu erkennen, ist wichtiger, als die Lösung zu erkennen, denn die genaue Darstellung des Problems führt zur Lösung.“ Das hat in diesem Fall zur raumweisen bedarfsgerechten Beimisch-Regelung geführt. Diese „intelligente Regelung“ ist derzeit die effektivste Form der Energieeffizienzsteigerung in der Gebäudetechnik, einer Energieeinsparung von über 30 Prozent.
Energiesparende Beimisch-Regelung der Fußbodenheizung Schlussbericht der Validierung durch SPRIND GmbH
Die SPRIND GmbH ist eine Gesellschaft des Bundes, deren Gegenstand die öffentliche Förderung von Sprunginnovationen im zivilen Bereich ist. Die Bundesagentur für Sprunginnovationen hat einen Validierungsauftrag für Forschungs- und Entwicklungsleistungen in Auftrag gegeben.
Der Hintergrund: Die Raumtemperatur-Regelung als Drossel-Regelung (Stand der Technik) soll die Wärmezufuhr zum Heizkörper drosseln, wenn dem Raum z.B. von draußen über Sonneneinstrahlung Fremdwärme zugeführt wird. Das macht Sinn, weil das Heizkörperventil sofort auf die Einstrahlung durch Schließen reagiert. Die Fußbodenheizung reagiert wegen der Trägheit erst nach 6 bis 10 Stunden, das macht keinen Sinn. Seit über vierzig Jahren werden Heizkörper- und Fußbodenheizungen mit der gleichen Raumtemperaturregelung, einer Drossel-Regelung einer Angebotsheizung (Stand der Technik) ausgerüstet. Die technischen Voraussetzungen der Wärmeabgabe beider Systeme sind absolut konträr. Heizkörper geben etwa 80% der Wärme über Konvektion an die Raumluft ab, reagieren wegen der minimalen Trägheit schnell auf Änderungen der Regelgröße „Raumluft“. Das ist ein geschlossener Regelkreis mit Rückmeldung nach DIN 19226. Die Fußbodenheizung gibt etwa 80 Prozent der Wärme über Strahlung an die Raumumschließungsflächen ab. Die Strahlung kann nicht gemessen werden, die Regelgröße ist ein undefinierter Teil (etwa 20 Prozent) der minimal aufgeheizten Raumluft. Wegen der extremen Trägheit dieser Speicherheizung ist ein geschlossener Regelkreis und eine Konformität zur DIN 19226 nicht möglich. Eine energieeffiziente Betriebsweise ist mit diesem System nicht möglich. Seit etwa 15 Jahren sind die technischen Voraussetzungen gegeben, die Fußbodenheizung mit einem völlig neuen Regel-System, der Bedarfsheizung mit raumweiser Beimisch-Regelung, auszurüsten. Die Grundvoraussetzung einer energieeffizienten, raumweisen Bedarfsheizung ist die absolute Kontrolle über die die Heizleistung des Kreises bestimmenden Parameter wie Kreis-Wassermenge, Vor- und Rücklauf-Temperatur. Die Regelung muss stetig sein, damit die Rücklauftemperatur nicht vom Ladezustand des Heizestrichs abhängig ist. Damit kann jedem Raum der exakte Wärmebedarf, die Wärmemenge über das Heizwasser zugeführt werden, die gleichzeitig über die Raumumschließungs-Flächen nach draußen abfließt, so bleibt die gewünschte Raumtemperatur stabil.
Diese raumweise Beimisch-Regelung muss schnell auf den Markt. Die Vorteile dieses neuen Regel-Systems in Bezug auf Energieeinsparung, Komfort und Nachhaltigkeit und eine mögliche Markteinführung sind im Folgenden beschrieben. Eine Validierung soll den Nachweis erbringen, dass das System die gestellten Anforderungen zum Energiesparen im Gebäudebereich in der Anlagentechnik erfüllt. In diesem Fall ein neues energieeffizientes Regelsystem für Fußbodenheizung, eine raumweise Beimisch-Regelung als Bedarfsheizung.
Auftragnehmer:
o Peter Gabanyi Dipl.-Ing. (FH) - Energie- und Versorgungstechnik Auftragnehmer und verantwortlicher Ansprechpartner.
o Hocheffizienzhaus Institut Prof. Dr.-Ing. Rainer Hirschberg
Stellvertreter und Projektkoordinator.
o Cenergie – Forschungsinstitut für energieeffiziente Gebäude und Quartiere - Hochschule München.
Prof. Dr.-Ing. Werner Jensch, M. Sc. Maximilian Günzel.
o FfE-Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. München.
Prof. Dr.-Ing. W. Mauch, Dipl.-Ing. Leona Freiberger.
Ziel der Validierung: Das Ziel der Validierung war es, für ein neues patentiertes Regelsystem für Fußbodenheizung – die Beimisch-Regelung – als Bedarfs-Heizung den Nachweis zu erbringen, dass die vorgegebenen Nutzungsziele bezüglich Energieeinsparung, Normenkonformität, Komfort und Nachhaltigkeit den Vorgaben entsprechen. Gleichzeitig soll aufgezeigt werden, ob es sich um eine disruptive Innovation handelt. Hier wird ein völlig neues System, keine Weiterentwicklung – vorausgesetzt.
Neuheit: Die Neuheit und Erfindungshöhe haben das DPMA-Deutsches Patentamt und das EPA-Europäischen Patentamt unabhängig voneinander durch Erteilung der Patente bestätigt.
Akute Relevanz des Themas: Dieser Beitrag zum Klimaschutz könnte nicht aktueller sein. Die Realität ist, dass es derzeit keine leicht verfügbaren Energiequellen gibt, die zuverlässig, sauber und erschwinglich sind. Der einfachste Beitrag zur Energiewende ist Energie zu sparen. Die Effizienzsteigerung, die Energieeinsparung, ist erheblich effektiver als die Erschließung neuer Energiequellen. Die größte Ressource ist der menschliche Einfallsreichtum, wir sind auf Innovationen angewiesen, um unsere Wirtschaft und Technologie weiter voranzutreiben und die CO²-Emission auf null zu reduzieren. Niemand vermutet ein so großes Energieeinspar-Potential in der Gebäudetechnik – Anlagentechnik.
Darum ist es schwer, die Klimaziele in Deutschland zu erreichen: Das Energieeinspar-Potenzial im Gebäudebereich in der Anlagentechnik ist nicht erkannt worden. Die in Deutschland jährlich gebauten Neubau- und Bestands-Wohnungen mit Fußbodenheizung vergeuden über 30 Prozent Heizenergie. Das ist mehr als jährlich an Wind- und Solaranlagen zugebaut werden kann.
Wissenschaftliches und technisches Ergebnis
Dieser Schlussbericht wurde von Herrn Prof. Dr.-Ing. Rainer Hirschberg, Hocheffizienzhaus Institut, verfasst, der in meinem Auftrag Projektkoordinator war. Alle drei Institute, die Nachauftragnehmer, haben die in ihren Kompetenzbereich fallenden Aufgaben perfekt gelöst.
Cenergie, Forschungsinstitut für energieeffiziente Gebäude und Quartiere – Hochschule München mit Prof. Dr.-Ing. Werner Jensch, M. Sc. Maximilian Günzel, haben das Arbeitspapier „Bewertung der thermisch energetischen Potenziale der raumweisen Beimisch-Regelung für Fußbodenheizung“ beigetragen.
Ihre Studie hat die einzelnen Thesen im Zusammenhang mit der neuen Beimischregelung untersucht und den Unterschied zur Drosselregelung, die für Fußbodenheizung ungeeignet ist, aufgezeigt.
Einige Textstellen aus der Zusammenfassung: „Im vorliegenden Bericht wurde untersucht, inwiefern die „Beimisch-Regelung für Fußbodenheizungen“ die Vorgaben in Bezug auf eine disruptive Innovation, Energie-Effizienz, Nachhaltigkeit und Komfort erfüllen kann“. „Bei der Betrachtung des neuen Regelkonzeptes für Fußbodenheizung wird deutlich, dass sie eine wesentliche Anforderung für eine neue innovative technische Lösung der bisherigen Regelung für Fußbodenheizung darstellt. Sie ändert das Prinzip der Fußbodenheizung von einer Angebotsheizung zu einer Bedarfsheizung. Die Energie-Effizienz, die Nachhaltigkeit und der Komfort können deutlich gesteigert werden. Der Einsatz von künstlicher Intelligenz ist vorhanden, innovativ und der Zeit angemessen.“
FfE München – Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. mit Dr.-Ing. Serafin von Roon, Dipl.-Ing. Leona Freiberger, haben das Einsparpotenzial der raumweisen Beimisch-Regelung“ bewertet. Die für die derzeitige Energiesituation wichtigste Information aus dieser Arbeit ist ein Ergebnis der Studie zur derzeitigen Einsparungssituation. Zusätzlich wurde das Einsparpotential für Deutschland im Jahr 2020 hochgerechnet. Für die in den Folgejahren 2021 und 2022 gebauten Neubauwohnungen wurde etwa die gleiche Menge an Energie vergeudet. Die Neubauten von 2020, 2021 und 2022 sind heute bereits sanierungsbedürftiger Bestand.
Einige Zahlen der Studie: Im Jahr 2020 wurden in Deutschland 275.760 Neubauwohnungen mit Fußbodenheizung fertiggestellt. Die neue Beimisch-Regelung hätte 2020 einsparen können:
549.000 MWh/a Primärenergie. 106.000 t Co²e/a. CO²-Reduktion 4.990 t/a Heizöl 29,13 Mio.m³/a Erdgas.
Einsparung pro Wohnung:
2 MWh/a Primärenergie 0,4 t /a CO²e CO²-Reduktion. 357 €/a Heizkosten pro Wohnung eingespart. (Aktualisiert 3.08.2022 13,77ct/KWh + 22€ CO²-Abgabe)
Hocheffizienzhaus, mit Prof. Dr.-Ing. Rainer Hirschberg, hat die Untersuchung des Instituts im Schlussbericht dargestellt. Ein Ergebnis ist die Energieeinsparung von mindestens 33,5 Prozent im Wohnungsbau mit Fußbodenheizung.
Mit dem Ergebnis seiner Untersuchung hat er den wissenschaftlich allgemeingültigen Nachweis über die funktionalen Vorteile und die mögliche Energieeinsparung von über 30 Prozent durch die Beimischregelung von Fußbodenheizungen nachgewiesen. Damit verbunden sind die Ergebnisse zu einer „intelligenten Regelung“. Gleichzeitig wurde nachgewiesen, dass sich die Beimischregelung als Bedarfsheizung adaptiv verhält und sich daher an die verschiedenen Randbedingungen automatisch anpasst. Durch diese Anpassungsfähigkeit werden Berechnungsfehler, fehlende Einregulierarbeiten, Nutzungsänderungen oder bauphysikalische Gebäudeertüchtigung selbsttätig korrigiert. Der bestimmungsgemäße Betrieb wird über den ganzen Gebäudelebens-Zyklus ohne Nutzereingriff oder Eingriff eines Installateurs sichergestellt. Die beschriebene Beimisch-Regelung als Kaskaden-Regelung ist eine Regelung nach DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis und Rückmeldung.
Dipl.-Ing. (FH) Peter Gabanyi – Energie- und Versorgungstechnik
Die zwei Arbeitspapiere AP1 und AP2 beziehen sich auf Untersuchungen im Bereich der angewandten Heizungstechnik. AP1, Untersuchung typischer Bestandsanlagen mit Drosselregelung im Gebäudebereich. Eine energieeffiziente Sanierung der Drosselregelung (Stand der Technik) (Angebotsheizung) kann nur durch Ersatz der Beimischregelung als Bedarfsheizung geschehen. Alle derzeitigen Sanierungs-Versuche beschränken sich nur auf den überbewerteten hydraulischen Abgleich. Diese kostspielige (subventionierte) Symptombehandlung kann die Energieeffizienz nicht steigern. In einer Beschreibung wird eine Analyse des bestehenden, unbekannten Heizkreises für die Steuerung der Beimischregelung durchgeführt. AP2, demonstriert eine Form der energievergeudenden Überversorgung durch für die Fußbodenheizung mit Drossel-Regelung (Stand der Technik) nicht anwendbaren DIN-Normen, die aber für die Berechnung zwingend vorgeschrieben sind. Die Fußbodenheizung mit Drosselregelung kann mit DIN-gerechter Heizlastberechnung (DIN EN 12831) und DIN-gerechter Auslegung der Fußbodenheizung (DIN EN 1264) nicht energieeffizient betrieben werden. Die in der Heizlast-Berechnung nach DIN EN 12831 zwingend vorgeschriebenen „Inneren Wärmeverluste“ (Reserve) durch eingeschränkten Heizbetrieb fremder Nebenräume, macht einen hydraulischen Abgleich sinnlos. Bei der Auslegung der Fußbodenheizung nach DIN EN 1264 muss wegen dieser Reserve die Auslegungstemperatur angehoben werden, das führt ebenfalls zu einer Überversorgung aller Räume. Diese „Angebotsheizung“ entspricht keiner einzigen Forderung an eine „intelligente Regelung“. AP2 ist eine Anwendungsspezifische Demonstration mit Rechenbeispielen.
Wirtschaftliche Erfolgsaussichten
Es sind derzeit keine Konkurrenzlösungen zur raumweisen Beimisch-Regelung als Bedarfsheizung bekannt. Vor dem Hintergrund der Energie- und Klimakrise sind die Einsparungen sowohl volkswirtschaftlich als auch für den einzelnen Nutzer von erheblicher Bedeutung. Es wurde detailliert nachgewiesen, dass Beimischregelungen bei Fußbodenheizungen mit dem neuen Regelalgorithmus Energieeinsparungen über 33,5 Prozent und hohe Reduktionen von CO2-Emissionen generieren. Zudem ist die Beimischregelung eine echte Raumtemperatur-Regelung nach DIN 19226 mit geschlossenem Wirkkreis und entspricht den §61 und §63 der GEG2020. Gleichzeitig erfüllt sie als „Bedarfsheizung“ alle Forderungen einer „intelligenten Regelung“. Am wichtigsten ist jedoch, den Neubau möglichst schnell mit der neuen Beimischregelung auszurüsten, um den zu sanierenden Bestand nicht weiter anwachsen zu lassen. Die Nachrüstung von Beimischregelungen im Bestand und bei Neuinstallationen ist mit überschaubarem Aufwand zu realisieren. Die Umsetzung der Beimischregelung mit neuem Regelgerät eröffnet auch einen großen Absatzmarkt. Insgesamt sind etwa 5,6 Mio. Wohnungen mit Fußbodenheizung mit Drosselregelung bis 2020 in Deutschland gebaut worden, die umgerüstet werden müssen. Der technische Aufwand ist vergleichsweise gering, der Beitrag zum Erreichen der Klimaziele ist groß. Mit der jährlich vergeudeten Energiemenge dieser 5,6 Mio. deutschen Bestandswohnungen könnten 1.884.141 Wohnungen kostenlos beheizt werden. Alleine mit der nur im Jahr 2020 in Deutschland vergeudeten Energiemenge könnten 92.380 Wohnungen zusätzlich kostenlos beheizt werden. Ein anderer Vergleich, der die im Jahr 2020 in Deutschland vergeudete Energiemenge von 549.000 MWh/a verdeutlicht:
o Um diese Leistung zu erbringen, hätten im Jahr 2020 etwa 117 Windenergieanlagen 2,5MW, 1.886 Vollbenutzungsstunden/Jahr gebaut werden (elektrische Vollheizung) müssen. o oder 357 ha Photovoltaikfläche, 50 W/m², 1025 Vollbenutzungsstunden/Jahr gebaut werden müssen.
Im Jahr 2020 waren es 275.760 Neubau-Wohnungen in Deutschland, die mit der alten, energievergeudenden Drossel-Regelung ausgerüstet wurden. In den Jahren 2021 und 2022 werden es einige Neubau-Wohnungen pro Jahr mehr sein, die saniert werden müssen. Aufgrund der eigenständigen Adaption der innovativen Beimischregelung erfordert die Nachrüstung in Bestandsgebäuden oder der Einbau in Neubauten keine zusätzliche Ausbildung von Handwerkern. Diese werden entlastet, weil keine Einstellarbeiten mehr notwendig sind.
Welche Argumente sprechen für eine disruptive Markteinführung:
o Den Heizenergie-Verbrauch in Wohngebäuden zu reduzieren. o Den staatlichen Heizkostenzuschuss zu reduzieren. o Die CO²-Emission zu reduzieren, um das Klimaziel zu erreichen. o Unnötige Subventionen zu vermeiden, wie z. B. für den hydraulischen Abgleich. o Export von Umwelttechnologie und Erhalt von Arbeitsplätzen am Standort Deutschland o Mehr Nachhaltigkeit und Komfort generieren. o Wertsteigerung der Wohnungen, die mit energiesparenden Regelungen ausgestattet sind. o Geringe Mehrkosten für die neue Beimischregelung amortisieren sich unter zwei Jahren. Bei bestimmten Systemen im mehrgeschossigen Wohnungsbau keine Mehrkosten (Wegfall der zentralen Gebäuderegelung). o Kostenlose Heizkostenabrechnung und Energieeinsparung durch „laufende Verbrauchsinformation“. o Keine Berechnungen mehr, schnellere und sichere Planung. o Keine Einregulierungen und Einstellarbeiten mehr, schnellere Montage. o Normen und Vorschriften können wieder eingehalten werden. (Siehe AP2-Gabanyi).
Technische Erfolgsaussichten nach Auftragsende:
Die Produktion der Beimischregelung stellt für entsprechende Hersteller ein sehr großes Potenzial dar. Umsetzung der Ergebnisse dieses Vorhabens in ein serienreifes Produkt kann nach theoretischer Information eines Herstellers nach einer kurzen Entwicklungszeit, die mit etwa 6 bis 9 Monaten eingeschätzt wird, und eine Testphase enthält, in die Produktion gehen. Die Beimischregelung kann bis auf die elektronische Steuerung aus am Markt verfügbaren Komponenten gefertigt werden. Insoweit erhalten auch die Zulieferer der Komponenten ein großes Lieferpotenzial. Allerdings bestätigen auch Branchenkenner, dass eine schnelle Einführung der neuen energiesparenden raumweisen Beimisch-Regelung mit Hilfe des Ordnungsrecht beschleunigt werden kann.
DARUM ENGAGIEREN WIR UNS Weil in den letzten Jahren kein einziges System oder Produkt im Gebäudebereich auf den Markt gekommen ist, dass so viel Heizenergie einsparen und CO² reduzieren kann. Wie man sieht, ist das Potential zum Einsparen von Energie in der Gebäude-Anlagentechnik noch lange nicht ausgeschöpft. Diese Innovation könnte in kürzester Zeit einen großen Beitrag zum Erreichen der Klimaziele leisten.
DAS MACHEN WIR KONKRET Das Projekt untersucht die Voraussetzungen für den Ersatz der derzeitigen Drossel-Regelung (Stand der Technik) durch die neue raumweise Beimisch-Regelung. Das Problem, eine träge Speicherheizung zu regeln, wird durch diese neue Technik gelöst. Diese Regelung verhindert in Zukunft die systembedingte Überversorgung der Fußbodenheizung. Das ist der Grund für die massive Energieverschwendung. Im Rahmen eines Validierungsauftrages werden die Auswirkungen einer schnellen, proaktiven und raumweisen bedarfsgerechten intelligenten Regelung für Fußbodenheizung quantitativ simuliert, um den Einsparungseffekt zu bestimmen. Gleichzeitig wird die Kompatibilität der über vierzig Jahre alten Drossel-Regelung mit den derzeit gültigen Normen geprüft.
DAS IST DAS POTENTIAL, DAS WIR SEHEN Durch eine relativ einfache technische Lösung kann diese bedarfsorientierte Raumtemperatur-Regelung eine Energieeinsparung und CO²-Reduktion von über 30 Prozent in Neubauten und Bestandsgebäuden erreichen. Für die Sanierung der Bestandsgebäude mit Fußbodenheizung würde derzeit nur die neue Beimisch-Regelung eine Lösung darstellen. Da alle Komponenten der neuen Beimisch-Regelung marktverfügbar sind, ist eine Marktreife von unter einem Jahr möglich. Während im Einfamilienhaus die Mehrkosten sich innerhalb von zwei Jahren amortisieren, entfallen im Mehrfamilienhaus mit dezentraler Warmwasserbereitung durch Wegfall eines Gebäuderegelkreises die Mehrkosten für diese neue Technik.
Weitere Informationen:
Peter Gabanyi, Dipl.-Ing. (FH) Energie- und Versorgungstechnik thermocon@t-online.de
