Heizungssimulator

Nachdem wir in einem der letzten Artikel die Reduzierung des Stromverbrauchs diskutiert haben, sind nun die Heizkosten an der Reihe. Dazu möchte anhand einer Excel-Datei, die Du Dir am Ende dieses Artikels kostenfrei herunterladen kannst, zeigen, wodurch die Raumtemperatur beeinflusst wird. Damit können wir später geeignete Maßnahmen treffen, um den Energiebedarf zu senken. Schauen wir uns zunächst einmal den Verlauf der Innen- und Außentemperatur während eines typischen Wintertages an. Um Heizkosten zu sparen, wird die Wohnung nur während der Tagzeit beheizt. In diesem Fall wurde die Heizung so eingestellt, dass nur zwischen 15 – 20 Uhr die maximale Raumtemperatur von 21 °C gegeben ist. In der übrigen Zeit schlafen oder arbeiten die Bewohner. In diesem Zeitraum sind nur Temperaturen von 16 °C erforderlich, um Energie zu sparen.

Verlauf der Innen- und Außentemperatur an einem Wintertag. Rot: Innentemperatur des Hauses, blau: Außentemperatur

Das führt dazu, dass sich der Tagesverlauf der Innentemperatur in vier Phasen einteilen lässt. Bereits früh am Morgen nimmt die Heizung ihren Betrieb auf, um sicherzustellen, dass das Haus von der Absenktemperatur aufgeheizt wird, sodass um 15 Uhr die gewünschten 21 °C erreicht werden. Ich gehe hier davon aus, dass die Heizung in dieser Phase unter Volllast arbeitet. Neben der Leistung der Heizung ist vor allem die Wärmekapazität der Wohnung wichtig. Diese sagt aus, wie viel Energie notwendig ist, um die Innentemperatur um 1 °C zu erhöhen. Dieser Wert wird also im Wesentlichen von der Größe der Wohnung beeinflusst. Gleichzeitig entweicht jedoch auch Wärme nach außen. Die Größe dieses Verlustes hängt von drei Größen ab:

  • der Differenz zwischen Außen- und Innentemperatur
  • der Wärmedämmung häufig dargestellt als U-Wert
  • die Größe der Oberfläche des Hauses, über die Wärme entweichen kann

Für alle drei Werte gilt: je größer sie sind, desto schneller gelangt die Wärme vom Haus in die Umgebung.

Hat die Heizung schließlich um 15 Uhr die Wohnung auf die gewünschten 21 °C aufgeheizt, muss sie die Innentemperatur nur noch auf einem konstanten Niveau halten. Dazu reicht es in dieser zweiten Phase aus nur so viel Wärme zu erzeugen wie in die Umwelt entweicht.

In der dritten Phase schließlich wird die Heizung vollständig ausgeschaltet und die Innentemperatur sinkt immer weiter ab, bis die gewünschte Absenktemperatur von 16 °C erreicht ist. Hier beginnt die vierte und letzte Phase, in der die Heizung wieder im Teillastbetrieb die Absenktemperatur halten muss. Diese Phase ist in unserem Beispiel aber nur sehr kurz, denn schon bald muss die Heizung wieder in den Volllastbetrieb wechseln, um zu gewährleisten, dass das Haus um 15 Uhr voll aufgeheizt ist (Phase 1 des Folgetages).

Wie können wir nun die Heizkosten optimieren? Betrachten wir dazu einmal die fiktiven Daten, die ich für unser Beispiel angenommen habe.

Fiktive Daten, zur Simulation der Heizung

Im obersten Block befinden sich Angaben, die an den meisten Heizungen direkt eingestellt werden können. Dabei handelt es sich um die Aufheiz- und Absenktemperatur sowie den Zeitraum, in dem die Aufheiztemperatur gehalten werden muss. Darunter befindet sich die Angabe der maximalen Leistung unserer Heizung sowie die Wärmekapazität der Wohnung. Für die Wärmekapazität einer Wohnung ist vor allem dessen Größe aber auch die verwendeten Baustoffe entscheidend. Weiter unten in den Einstellungen befinden sich die Werte, die eine Entweichung der Wärme nach Außen beeinflussen. Zunächst können wir die Maximal- und Minimaltemperatur einstellen. Anschließend folgt der U-Wert des Hauses sowie die Oberfläche des Hauses.

Den Energieverbrauch reduzieren – wir brauchen mehr Power

In der untersten Zeile können wir ablesen wie viel Energie die Heizung abgeben muss, um einen Tag wie in dem Diagramm oben dargestellt zu durchlaufen. Diese 305 kWh wollen wir nun reduzieren. Problematisch an unserer Ausgangskonfiguration ist, dass die Heizung eine enorm lange Zeitspanne braucht, um das Haus auf 21 °C zu erwärmen. Während dieser Zeit wird – vor allem in den frühen Morgenstunden – immer ein Teil der eingebrachten Wärme wieder an die Umwelt abgegeben. Besser wäre also die Installation einer leistungsstärkeren Heizung, um die Vorlaufzeit zu kürzen und in den Zeitraum mit der höchsten Außentemperatur zu legen. In dem folgenden Diagramm siehst Du, wie sich damit die Vorlaufzeit verkürzt.

Verlauf der Innen- und Außentemperatur mit 25 kW-Heizung

Unglücklicherweise konnte ich den Energieverbrauch mit dieser Maßnahme lediglich auf 300 kWh, also um rund 1,6 % reduzieren – etwas wenig für eine so teure Maßnahme. Zum Vergleich möchte ich daher meine Wärmedämmung optimieren. In Zahlen ausgedrückt bedeutet das, dass ich meinen durchschnittlichen U-Wert von 1,5 auf 1,3 reduziere (zur besseren Vergleichbarkeit rechne ich nachfolgend jedoch wieder mit meiner schwächeren 18 kW-Heizung aus dem Anfangsbeispiel). Die Reduzierung des U-Wertes hat den Vorteil, dass sie mir über den gesamten Tag hinweg zugute kommt, während die Steigerung der Heizleistung nur die Aufheizphase optimiert. In der folgenden Grafik siehst Du nun den verbesserten Temperaturverlauf. Mit dieser Maßnahme konnte ich den Energieverbrauch für einen Tag auf 265 kWh, also um 13,1 % drücken.

Fazit und Ausblick

Wir haben also gesehen, dass durch die Wärmedämmung einiges an Energie gespart werden kann. Dazu sei aber gesagt, dass es sich bei meiner Simulation nur um eine stark vereinfachte Betrachtung handelt. Sie dient vor allem dazu die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen den Eingangsgrößen zu veranschaulichen. Mir ist auch bewusst, dass die derzeit von mir bereitgestellte Excel-Datei nicht berücksichtigt, dass die Vorlaufzeit beginnen kann, bevor sich die Wohnung auf die Absenktemperatur abgekühlt hat. Eine weitere Frage ist, wann sich Investitionen z.B. in eine verbesserte Wärmedämmung finanziell lohnen. Hierzu werde ich demnächst in einem Wirtschafts-Artikel über sogenannte Kapitalwerte schreiben und erläutern, warum die meisten von uns die Bedeutung von Ausgaben oder Ersparnissen, die in der Zukunft anfallen, überschätzen.

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