Regelungstechnische Anforderungen an Heizungsanlagen mit Wohnungsstationen

Die Studie untersucht die reglungstechnischen Anforderungen an Heizungs- und Warmwasseranlagen nach § 61 GEG (ehemals § 14 EnEV) in Bezug auf ihre Anwendbarkeit im Fall von Heizungsanlagen mit sogenannten Wohnungsstationen. Als primäres Untersuchungsergebnis liegt nun ein konkretisierter Textvorschlag zu § 61 GEG vor, welcher insbesondere die bisher (einschließlich GEG 2024) bestehenden Unklarheiten in Bezug auf Anlagen Wohnungsstationen ausräumt und zweckmäßige technische Nebenanforderungen für solche Anlagen formuliert.

Ausgangslage

Die ordnungsrechtlichen Anforderungen an die unter anderem regelungstechnische Ausstattung von Zentralheizungen – wie Vorrichtungen zur Verringerung und Abschaltung der Wärmezufuhr sowie zur Ein- und Ausschaltung elektrischer Antriebe nach ehemals § 14 EnEV – sind vorranging auf konventionelle Zentralheizungen mit zentraler Trinkwassererwärmung ausgerichtet, bei denen die Wärmebereitstellung zur Trinkwassererwärmung und zur Raumbeheizung weitgehend entkoppelt erfolgen kann.

Besonders in Mehrfamilienhäusern werden zunehmend zentrale Heizungsanlagen mit dezentraler Trinkwassererwärmung mittels sogenannter Wohnungsstationen eingesetzt. Diese benötigen - anders als die durch GEG (vormals EnEV) vordergründig adressierten Zentralheizungen mit entkoppelter Trinkwassererwärmung - in der Regel ganzjährig Heizungswasser auf einem zur Trinkwassererwärmung ausreichend hohen Niveau. (Die Aussage bezieht sich auf die üblicherweise mit dem Begriff Wohnungsstation assoziierte Ausführung als Zweileitersystem ohne elektrische Nachheizung.) Bei Wohnungsstationen als Zweileitersystem ist in der Regel die zur Trinkwassererwärmung benötigte Vorlauftemperatur maßgeblich und muss primärseitig ganzjährig eingehalten werden – eine nächtliche oder saisonale Absenkung der Vorlauftemperaturen, wie sie bei von der Trinkwassererwärmung entkoppelten Heizungsleitungen üblich ist, ist damit üblicherweise nicht möglich. Im Gegenzug entfällt bei diesen Anlagen die Vorhaltung und Verteilung von Trinkwarmwasser.

Die Anforderungen nach § 14 EnEV waren nicht unmittelbar auf Anlagen mit Wohnungsstationen übertragbar und mussten in der Vergangenheit fallspezifisch interpretiert werden. Daher wurde das Regelwerk im Rahmen der Fortschreibung zum GEG in einem ersten Schritt dahingehend ergänzt, dass die Vorrichtungen nach ehemals § 14 EnEV unter bestimmten Umständen alternativ wohnungsweise (und nicht zentral) vorzusehen sind. Diese Sonderregelung (§ 61 Abs. 3 GEG) formuliert somit Vorgaben für einen Teil der denkbaren Anwendungsfälle von Wohnungsstationen, lässt jedoch weiterhin wesentliche Fragen offen.

Ziel

Im Rahmen dieser Studie sollen die bisherige sowie die gegenwärtige Regelung analysiert und Empfehlungen zur Konkretisierung und Optimierung der Anforderungen an Heizungsanlagen mit Wohnungsstationen abgeleitet werden. Insbesondere sollen folgende Aspekte beleuchtet werden:

• Welche(r) Parameter ist/sind sinnvolle Führungsgröße(n) im Sinne von
  § 61 Abs. 1 und 3?
• Bestehen zweckmäßige Optimierungsmöglichkeiten der Primärseite –
  gegebenenfalls welche?
• Ist der Anwendungsbereich der Sonderregelung bezüglich Wohnungsanzahl zweckmäßig oder sollte er erweitert werden?

Auftragnehmer des Forschungsprojekts war das ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung GmbH.

Konzept

Einführend in das Thema wurden Wohnungsstationen begrifflich und hinsichtlich wesentlicher technischer Unterscheidungsmerkmale systematisiert. Diese Teilbetrachtung liefert informativen Kontext zu Heizungsanlagen mit Wohnungsstationen im Allgemeinen sowie zum besseren Verständnis der anschließenden Untersuchungen.

Als Berechnungsgrundlage der energetischen Betrachtungen wurde das Verfahren nach DIN V 18599:2018-09 gewählt. Es bietet sich insofern an, als es einerseits durch das GEG für öffentlich-rechtliche Nachweise referenziert wird und andererseits mit vertretbarem Aufwand umfangreiche Variantenrechnungen erlaubt. Allerdings weist das Verfahren gegenwärtig noch Definitionslücken und Unklarheiten in Bezug auf die rechnerische Abbildung von Wohnungsstationen auf. Im Rahmen der Studie wurden daher Ersatzmodelle zur Anwendung in 18599-Berechnungen erarbeitet, welche Heizungsanlagen mit Wohnungsstationen in guter Näherung energetisch abbilden und dabei die im Rahmen der Studie zu untersuchenden Sensitivitäten berücksichtigen (insbesondere Einflüsse der Systemtemperaturen / Dimensionierung des Wärmeübertragers sowie von regelungstechnische Ausführungsdetails der Anlage).

In einer ersten umfangreichen Berechnungsreihe wurde der Erzeugernutzwärmebedarf von Anlagen mit Wohnungsstationen gegenüber analogen Versorgungsszenarios mit konventioneller zentraler Trinkwassererwärmung und  verteilung untersucht. Hierbei wurden wesentliche technische Parameter variiert (u. a. Trassenlänge zwischen Technikraum und Wohnungen, Zirkulationsdauer der Vergleichsanlage mit zentraler Trinkwassererwärmung, regelungstechnische Ausführung und Primärnetztemperatur der Anlage mit Wohnungsstationen).

In einer zweiten Berechnungsreihe wurde der Einfluss von Wohnungsstationen auf den Endenergiebedarf von Wärmepumpen – als besonders vorlauftemperatursensibles Erzeugungssystem – untersucht.

Abschließend wurde die Wirtschaftlichkeit markanter Ausführungsdetails der Anlage mit Wohnungsstationen für ausgewählte, praxisrelevante Szenarios (HT-Anlagen mit Brennwertkessel und Fernwärme, NT-Anlage mit Wärmepumpe und Hybridstationen (direktelektrische Nacherwärmung)) anhand von Jahresgesamtkostendifferenzen beurteilt.

Ergebnisse

Systemvergleich bis Schnittstelle

Wärmebilanziell schneiden Anlagen mit monovalenten Wohnungsstationen und konstanter Primärvorlauftemperatur in aller Regel günstiger ab als vergleichbare Anlagen mit zentraler Trinkwassererwärmung, deren Heizkörper-Auslegungsvorlauftemperatur auf dem Niveau der Primärvorlauftemperatur der Anlage mit Wohnungsstationen liegt. Wird mit Blick auf übliche Praxis und auf die Ausführung des GEG-Referenzgebäudes für die Vergleichsanlage mit zentraler Trinkwassererwärmung von einer Heizkörperauslegung auf 55/45 °C ausgegangen, ergibt sich wärmebilanzieller Gleichstand ungefähr dann, wenn die Anlage mit Wohnungsstationen mit einer konstanten primären Vorlauftemperatur von 60 bis 70 °C betrieben wird (vereinzelt noch höher).

Anlagen mit Wohnungsstationen weisen in den untersuchten Fällen oft einen höheren Hilfsenergiebedarf auf als analoge Versorgungsvarianten mit zentraler Trinkwassererwärmung. Allerdings sind sowohl die absoluten Hilfsenergiebedarfe als auch die Differenzen zwischen den Vergleichsvarianten in Relation zu den umgesetzten Wärmemengen so gering, dass sie gesamtenergetisch kaum ins Gewicht fallen.

Einflüsse von Ausführungsdetails bei Anlagen mit Wohnungsstationen

Als signifikanteste Einflussgrößen wurden die Leitungsführung (Leitungslängen) und die primärseitige Vorlauftemperatur identifiziert. Entgegen der Leitungsführung, welche den baulichen Gegebenheiten folgt, erscheint eine Begrenzung der Primärvorlauftemperatur als sehr pragmatische und zielorientierte Option einer energiesparrechtlichen Festlegung für Wohnungsstationen und vergleichbare Systeme.

Die darüber hinaus untersuchten regelungstechnischen Ausstattungsmerkmale – optimierte Temperaturvorhaltung, saisonale Steuerung der sekundären Anbindeleitungen, optimierte Pumpenregelung (über Konstantdruckregelung hinaus) – haben gegenüber einer grundsätzlichen Senkung/Begrenzung der Vorlauftemperatur nur wenig Einfluss. Aus energetischer Sicht erscheint hierbei die optimierte Temperaturvorhaltung noch am vielversprechendsten – ein spezifisches Ausstattungsmerkmal von Wohnungsstationen, welches gegenwärtig nicht durch § 61 GEG adressiert wird. Von den sekundärseitig wirkenden Steuerungseinrichtungen empfiehlt sich aus rein praktischer Sicht eine einfache Steuermöglichkeit nach einer geeigneten Führungsgröße (z. B. Zeit, Außentemperatur oder Temperatur eines Führungsraums) sowie manuelle Schaltbarkeit durch die Nutzenden (z. B. für Urlaube, manuelle saisonale Abschaltung o. ä.). Die derzeit bestehende GEG-Anforderung, Einrichtungen zur Steuerung nach zwei Führungsgrößen (Zeit und eine weitere) vorzuhalten, ist für Wohnungsstationen in ihrer gegenwärtigen Lesart unzweckmäßig.

Einfluss auf den Endenergiebedarf

Für temperaturtolerante Versorgungslösungen (i. d. R. Fernwärme, Heizkessel, BHKW) lassen sich die Tendenzen der Erzeugernutzwärmebilanz weitgehend auf den Endenergiebedarf übertragen. Das heißt, unter der Maßgabe grundsätzlich vergleichbarer Randbedingungen sind tendenziell energetische Vorteile für Anlagen mit Wohnungsstationen gegenüber analogen Vergleichsvarianten mit zentraler Trinkwassererwärmung zu erwarten.

Demgegenüber hängt die Effizienz von Wärmepumpen sehr stark vom bereitzustellenden Temperaturniveau ab. In Kombination mit Wärmepumpen würden monovalente Wohnungsstationen (mit konstant hoher Primärvorlauftemperatur) in aller Regel zu einem sichtbaren Mehrbedarf an Endenergie gegenüber einer analogen Anlage mit zentraler Trinkwassererwärmung führen. Durch eine Senkung der Primärvorlauftemperatur – etwa durch den Einsatz noch größerer Wärmeübertrager und ggf. eine verringerte Warmwassertemperatur oder durch direktelektrische Nacherwärmung in/nach der Station – kann der Mehrbedarf verringert und in günstigen Fällen ein ähnliches energetisches Niveau erreicht werden.

Insofern sollte über die Eignung/Nichteignung von Wohnungsstationen für ein geplantes Versorgungsszenario immer im weiteren anlagentechnischen Kontext befunden werden.

Wirtschaftlichkeit markanter Ausstattungsmerkmale

Vorgreifend ist zu sagen, dass für die hier untersuchten Ausstattungsmerkmale allesamt nur kleine bis sehr kleine Gesamtkostendifferenzen ermittelt wurden, welche im Rahmen von umfangreicheren Modernisierungen oder gar einer Gebäudeerrichtung nur wenig Gewicht hätten.

Die Vergrößerung des Wärmeübertragers mit einhergehender Senkung der Primärvorlauftemperatur zeigte sich über alle Berechnungsbeispiele wirtschaftlich bis ungünstigstenfalls kostenneutral. Die darüber hinaus betrachteten regelungstechnischen Ausstattungsmerkmale waren für sich allein betrachtet zwar alle tendenziell unwirtschaftlich; ihr Einfluss konnte aber teils in der Kombination mit größerem Wärmeübertrager / Vorlauftemperatursenkung kompensiert werden.

Textvorschlag zu § 61

Aufbauend auf der gegenwärtigen Ausführung des § 61 GEG wurde ein Textvorschlag formuliert, welcher folgende Aspekte konkretisiert:

• Abschnitte der Wärmeverteileinrichtungen zwischen der Wärmeerzeugung und reinen Warmwasserbereitern – etwa Anbindeleitungen eines indirekt beheizten Warmwasserspeichers – sind von der Anforderung bezüglich Steuerung nach der Zeit und einer weiteren Führungsgröße ausgenommen.
• Abschnitte der Wärmeverteileinrichtungen, welche der kombinierten/gleichzeitigen Versorgung von Anlagen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung dienen (d. h. Primärnetz vor Wohnungsstationen und vergleichbaren Systemen),
  • dürfen höchstens mit einer Vorlauftemperatur von 60 °C betrieben werden und
  • müssen nur dann mit Einrichtungen zur Steuerung nach der Zeit und einer weiteren geeigneten Führungsgröße versehen werden, wenn (und nur in dem Maß, wie) dies nicht dem bestimmungsgemäßen und hygienischen Betrieb dieser Anlagen entgegensteht.
• Anlagen zur kombinierten/gleichzeitigen Versorgung mit Raumwärme und Trinkwarmwasser (d. h. Wohnungsstationen und vergleichbare Systeme) müssen über Einrichtungen zur Umsetzung folgender Funktionen verfügen:
  • Absenkung der lokalen primärseitigen Vorlauftemperatur (d. h. am Primäranschluss der Station) im Vorhaltefall mittels Durchflusssteuerung
  • Begrenzung der sekundärseitigen Vorlauftemperatur auf den Auslegungswert des angeschlossenen Übergabesystems, sofern dieser unter der Primärvorlauftemperatur liegt
  • Steuerung der direkt angeschlossenen sekundärseitigen Heizungsanbindeleitungen (mindestens Öffnen/Schließen) beziehungsweise von sekundärseitigen Heizungspumpen im Fall von Misch-/Wärmeübertragerkreisen (mindestens An/Aus)
    • manuell und
    • in Abhängigkeit von einer geeigneten Führungsgröße (z. B. Zeit oder Außentemperatur)
• Einrichtungen, welche die sekundärseitigen Anbindeleitungen und/oder Heizungspumpen aus Frostschutzgründen zeitweilig in Betrieb nehmen können, stehen nicht im Widerspruch zu den obigen Anforderungen.

Wohnungsstationen in 18599-Berechnungen, Hinweise zur Normfortschreibung

Als ein sekundäres Ergebnis der Untersuchung wurden energetisch äquivalente Ersatzmodelle für Wohnungsstationen zur Anwendung in 18599-Berechnungen beschrieben, welche grundsätzlich auch über den Umfang dieser Studie hinaus verwendet werden können.

Im Weiteren wurden konzeptionelle Empfehlungen zur Fortschreibung der Norm für eine bessere Berücksichtigung von Wohnungsstationen gegeben.