Effizienzpotenziale in der Anlagentechnik bei Mehrfamilien-Passivhäusern

Bei Mehrfamilien-Passivhäusern mit zentraler Versorgung für Warmwasser und Heizwärme entfällt mehr Energie auf die Bereitung des Warmwassers und die Verluste bei der Verteilung von Heizwärme und Warmwasser als auf die Verluste der Gebäudehülle. Aus diesem Grund ist es wichtig auch in diesen Bereichen nach Möglichkeiten einer Effizienzsteigerung zu suchen. Das Institut für Wohnen und Umwelt (IWU) hat ein Sanierungsprojekt in Frankfurt am Main wissenschaftlich begleitet.

Oben: Die sieben Mehrfamilien-Passivhäuser nach der Sanierung.

Unten: Auswirkungen unterschiedlicher Maßnahmen zur Reduktion der Verteilverluste bei Heizung und Warmwasser

Sieben Mehrfamilienhäusern in der Rotlintstraße 116-128 in Frankfurt am Main sind auf Passivhaus-Standard saniert worden. Die Gebäude sind in drei Blöcken zusammen gefasst und besitzen 61 Wohneinheiten mit insgesamt rund 3800 Quadratmetern Wohnfläche (zirka 62 Quadratmeter je Wohnung). Die Wärmeversorgung erfolgt über ein zentrales Heizhaus, in dem ein Rapsöl-Blockheizkraftwerk (BHKW) und ein Erdgas-Kessel die benötigte Wärme in einen 2000 Liter-Pufferspeicher einspeisen. Von diesem aus werden die Unterzentralen in jedem Block über eine Nahwärmeleitung versorgt (Zweileitersystem). Jeder Block besitzt eine thermische Solaranlage mit 32 Quadratmetern Kollektorfläche auf dem Dach. Die Solarleitungen werden innerhalb des Gebäudes in den Keller geführt, wo sie die Wärme in die beiden Solarspeicher (je 800 Liter) im Keller einspeisen. Zwei weitere Speicher mit 300 beziehungsweise 500 Litern dienen als Bereitschaftsspeicher für Warmwasser. Die Gesamtlänge der Verteilleitungen summiert sich auf 980 Meter für die Heizwärme und 680 Meter für Warmwasser.

Reduktion von Warmwasserbedarf und -temperatur

Bei der Grundausstattung der Wohnungen wurde auf sparsame Armaturen geachtet: Handelsübliche Duschköpfe besitzen einen Durchfluss von 12 bis 25 Litern je Minute, Waschtischmischer lassen rund 12 Liter pro Minute durch. In der Rotlintstraße wurden Duschköpfe mit einem Durchfluss von 9 Litern pro Minute und Waschtischmischer mit einem Durchfluss von 6 Litern pro Minute zur Reduktion des Warmwasserbedarfs eingesetzt. Durch diese Maßnahmen kann mit einer nennenswerten Reduktion des Warmwasserbedarfs gerechnet werden. Lediglich in der Küche konnten in der Planung keine Vorkehrungen zur Reduktion des Warmwasserbedarfs getroffen werden, da diese von den Mietern installiert wird.

Um die Energie der thermischen Solaranlagen auf einem niedrigem Temperaturniveau nutzen zu können und um die Verluste bei der Warmwasserspeicherung und Verteilung so gering wie möglich zu halten, wurden die Anlagen auf eine Warmwassertemperatur von 48 Grad Celsius ausgelegt. Der solare Deckungsgrad wird dadurch erhöht – er wurde in der Planung auf 61 Prozent abgeschätzt und wird in dem sich nun anschließenden Monitoring überprüft.

Gleichzeitig muss jedoch eine Verkeimung der Warmwasserleitungen und -speicher ausgeschlossen werden. An Stelle der normalerweise eingesetzten thermischen Desinfektion mit Warmwassertemperaturen von 60 Grad Celsiu am Speicheraustritt wird in diesem Projekt eine chemische Hygienisierung verwendet: Dazu wird in das Trinkwasser eine Säure in geringer Konzentration eindosiert, die vor Ort in einer Wasserbehandlungsanlage (Diaphragmalyse) aus Salz hergestellt wird. Aufgabe dieser schwachen Säure ist es, Bakterien wie zum Beispiel Legionellen abzutöten beziehungsweise deren Entstehung zu verhindern und so niedrige Warmwasser­temperaturen zu ermöglichen. Dazu werden alle drei Blöcke über einen einzigen Hausanschluss mit Trinkwasser versorgt. Bevor das Wasser zu den Blöcken verteilt wird, wird die wässrige Lösung in das Trinkwasser eingespeist. Da diese Art der Wasserbehandlung nicht im DVGW-Arbeitsblatt 551 gedeckt ist, wird im Rahmen dieses Projekts die Trinkwasserqualität regelmäßig von einem unabhängigen Labor überprüft.

Wärmeverteilung für Heizung und Warmwasser

Von der Technikzentrale in jedem Block wird die Heizwärme in der horizontalen Verteilleitung unter der Kellerdecke zu den Steigsträngen geführt. Die Leitungen tragen eine alukaschierte Mineralfaserisolierung entsprechend den Anforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV), Zudem sind sie etwa mittig in der Kellerdeckendämmung verlegt, was die Verteilverluste deutlich reduziert. Die Keller in den Häusern sind mit 2,30 Metern hoch genug, um eine 26 Zentimeter starke Dämmung aus Zellulosefasern anzubringen.

Bei Verlegung der Rohre in der Kellerdeckendämmung kann der Wärmeverlust gegenüber einer Dämmung mit dem Zweieinhalbfachen der EnEV-Anforderungen bei Verlegung unter der Dämmung der Kellerdecke nochmals etwa halbiert werden. Leitungen auf gleicher Temperatur wurden gruppiert, die Kaltwasserleitung nach unten abgesetzt. Die Dämmstärke aller vertikalen Steigleitungen wurde mit dem Zweieinhalbfachen der EnEV-Anforderungen ausgeführt; die Dämmdicke lag damit bei 50 Millimetern (bis DN 22) beziehungsweise 75 Millimetern (DN 28/DN35).

Gemeinsam mit den Heizleitungen wurde die horizontale Verteilung des Warmwassers vorgenommen: Warmwasser- und Zirkulationsleitung sind nebeneinander in der Kellerdeckendämmung angeordnet. In der vertikalen Verteilung wurde ein Rohr-in-Rohr-System verwendet. Dabei befindet sich im Warmwasserrohr aus Edelstahl ein dünnes Kunststoffrohr, das für den Zirkulationsrücklauf verwendet wird.

Durch dieses Rohr-in-Rohr-System werden die Verluste durch die Warmwasserzirkulation stark reduziert. Außerdem vermindert sich der Platzbedarf für Warmwasser im Schacht. Wichtig bei dem Rohr-In-Rohr-System ist die Einregulierung der Stränge, analog zur Heizungsverteilung. Bei den unten vorgestellten Berechnungen wurde unterstellt, dass der Querschnitt der Warmwasserleitung eine Stufe größer gewählt wird, um die Querschnittsreduktion durch die innen liegende Zirkulation auszugleichen.

Als Nahwärmeleitungen für die Erdreichverlegung zwischen den Blöcken wurden flexible Rohre mit einer gemeinsamen Isolierung eingesetzt (Duoleitungen). Durch die Isolierung um beide Medienrohre (40,8 Millimeter) herum bleibt der Außendurchmesser mit 200 Millimetern vergleichsweise klein und die wärmeabgebende Oberfläche wird minimiert. Der Wärmeverlust liegt bei 0,35 W/(mK), die Leitungslänge für die Erdreichverlegung summiert sich auf zirka 22 Meter. Durch eine zusätzliche Dämmung der Nahwärmeleitung mit 2 x 70 Millimeter verrottungsfester PE-Schaum-Dämmung können die Wärmeverluste um 44 Prozent reduziert werden. Dadurch vermindert sich der Wärmeverlustkoeffizient der Nahwärmeleitung von 0,35 W/(mK) auf rund 0,20 W/(mK).

Auswirkungen der Maßnahmen auf die Energiebilanz

Die Grafik von Verlsutwärme und Verlustanteil zeigt die Auswirkungen der verschiedenen vorgestellten Maßnahmen bei der Wärmeverteilung sowie der Warmwasserbereitung und –verteilung auf die Verluste der Anlagentechnik. Die Basisvariante (links) stellt eine Verteilung mit 100 Prozent Dämmung gemäß EnEV sowie 60 Grad Celsius- Warmwassertemperatur und externer Zirkulation dar. Bei 34,7 kWh/(m²a) Nutzwärmebedarf für Heizung und Warmwasser entstehen hierbei Verluste von 20,9 kWh/(m²a). Durch die Verbesserung der Dämmung von 100 Prozent auf 250 Prozent reduzieren sich die Verluste auf 15,0 kWh/(m²a). Die zusätzliche Dämmung der 22 Meter langen Nahwärmeleitung vermindert die Verluste um weitere 0,5 kWh/(m²a). Wird die horizontale Verteilung für Heizung und Warmwasser zusätzlich in der Kellerdeckendämmung verlegt, werden aufgrund der großen Längen in den drei Blöcken zusätzlich 3,2 kWh/(m²a) eingespart. Die anschließende Reduktion der Warmwassertemperatur kann weitere 1,7 kWh/(m²a) einsparen – nicht berücksichtig ist dabei der schlechtere solare Deckungsgrad bei der 60 Grad Celsius-Warmwassertemperatur und gleicher Kollektorfläche. Die Rohr-in-Rohr-Zirkulation erbringt bei dieser Rechnung immer noch um 0,9 kWh/(m²a) geringere Verluste. Würde diese Art der Zirkulation auf die Basisvariante angewendet, so ergäben sich Einsparung von 1,9 kWh/(m²a) in diesem Projekt beziehungsweise rund 20 Prozent der Verluste der Warmwasserverteilung.

Durch die Optierungen an der Verteilung und der Warmwasserbereitung konnten die Verteilverluste um 12 kWh/(m²a) reduziert werden. Die Einsparung liegt in der Größenordnung des Heizwärmebedarfs der Gebäude. Absolut werden die Verteilverluste um 46.500 Kilowattstunden beziehungsweise von 60 Prozent auf 25 Prozent des Nutzwärmebedarfs reduziert werden. Dies zeigt das große Effizienzpotenzial, das in der Anlagentechnik im Mehrfamilien-Passivhaus noch steckt. Große Einsparungen bei der Verteilung sind aber auch bei konventionellen Gebäuden möglich – auch diese Potenziale müssen zukünftig ebenfalls ausgeschöpft werden.

Marc Großklos
Diplom-Ingenieur für Energie- und Umweltschutztechnik
Institut Wohnen und Umwelt