EnEV 2007: Verbrauchs- und Bedarfsnachweis für VRV-Systeme

Mit Inkrafttreten der EnEV 2007 am 1.Oktober 2007 und der damit verbundenen Be­wertung der energetischen Effizienz von Gebäuden wurde eine neue Planungsgröße geschaffen: die CO₂-Emission. Als Primär­energiebedarf ausgewiesen oder aus Endenergiebedarf und CO₂-Emissionsfaktoren direkt ermittelt, stellt die CO₂-Emission damit neben Funktionalität, Wirtschaftlichkeit und Ästhetik ein neues Auswahlkriterium im Rahmen der Systemfindung dar [10].

Bei der Errichtung von Nichtwohngebäuden ist für die Bestimmung des Primärenergiebedarfs die Nachweisführung nach DINV18599 verbindlich [1]. Das Rechenverfahren weist die einzelnen Energieanteile der Gebäudetechnik getrennt aus und bietet die Möglichkeit, den Einfluss verschiedener Anlagentechniken auf die einzelnen Energieanteile darzustellen und zu bewerten.

Für die Bestimmung der energetischen Kenngrößen von Nichtwohngebäuden im Bestand hat der Gesetzgeber die Wahlmöglichkeit zwischen verbrauchsorientierter und bedarfsorientierter Nachweisführung geschaffen [1]. Die Bewertung auf Grundlage der Energieverbrauchswerte ist bei der praktischen Anwendung vergleichsweise einfach zu handhaben. Die eindeutige Aufteilung der Verbrauchswerte auf einzelne Anlagensysteme erfordert jedoch auch im Bestand die bedarfsorientierte Nachweisführung [6].

Verbrauchsorientiertes Verfahren

Für die verbrauchsorientierte Bewertung werden die Energieverbrauchskennwerte nach [2] ermittelt und mit Vergleichswerten, die sich aus der Nutzung des Gebäudes nach Anlage 3 der Richtlinie ergeben, gegen­übergestellt (Bild 1). Die gebäudetechnischen Anlagen werden den Energieverbrauchskennwerten wie folgt zugeordnet:

Heizenergieverbrauchskennwert:

• Heizung (witterungsbereinigt)
• Trinkwarmwasser

Stromverbrauchskennwert:

• Kühlung
• Lüftung
• Beleuchtung
• Hilfsenergie

Den beiden Kennwerten werden die Verbrauchsdaten der letzten drei aufeinander folgenden Abrechnungsperioden zugrunde gelegt und als ungewichteter Mittelwert ausgewiesen. Leerstände im Gebäude werden durch eine entsprechende Flächenkorrektur rechnerisch berücksichtigt. Der Energieverbrauchsanteil für Heizung muss zusätzlich einer Witterungsbereinigung unterzogen werden. Der Gebäudestandort wird dabei einer Wetterstation zugeordnet ([2], Anlage 4) und die Klimafaktoren nach [5] bestimmt. Die Klimafaktoren korrigieren die Wetterstation gegenüber dem Referenzort Würzburg und weisen die Abweichung der Abrechnungsperiode zum Referenzjahr für den Referenzort aus.

Der Heizenergieverbrauchskennwert eines Gebäudes umfasst definitionsgemäß den Energieverbrauchsanteil für Heizung auch dann, wenn als Energieträger dafür Strom eingesetzt wird [2]. Der Stromverbrauch von VRV-Systemen im Heizbetrieb wird somit als Kennwert für den Heizenergieverbrauch erfasst. Da die Vergleichswerte für Heizung eine Wärmeenergie darstellen ([2], Anlage 3) ist ein direkter Vergleich der beiden Endenergien im Fall Wärmepumpe hinsichtlich der CO₂-Emission wenig aussagefähig. Erst die Wichtung mit Primärenergie- oder CO₂-Emissionsfaktoren liefert vergleichbare Ergebnisse.

Die messtechnische Erfassung des Stromverbrauchs einer VRV-Anlage umfasst die Außen- und Innengeräte und setzte die von anderen Stromverbrauchern autarke Messung voraus. Somit werden die Energieanteile für Heizung, Kühlung und die Hilfsenergie erfasst. Die unterschiedliche Zuordnung der Anteile für Heizung und Kühlung zu den Verbrauchskennwerten erfordert weiterhin die getrennte Erfassung der Betriebarten [7].

Bedarfsorientiertes Verfahren

Beim bedarfsorientierten Verfahren nach DINV18599 werden alle wärmetechnisch relevanten Komponenten des Gebäudes aufgenommen und energetisch bewertet. Anschließend wird der Primärenergiebedarf als theoretischer Kennwert oder Normverbrauch ermittelt. Die Vorgehensweise der Energiebedarfsbilanzierung stellt mit teilweise festgelegten Randbedingungen die Vergleichbarkeit zu Gebäuden mit anderen gebäude- und anlagentechnischen Eigenschaften her und gestattet so die Beurteilung der energetischen Güte. Mit frei wählbaren Randbedingungen ist das Verfahren für eine allgemeine Energiebedarfsbilanzierung geeignet, z.B. zur Beurteilung der Wirksamkeit von Modernisierungsmaßnahmen oder zur Berechnung des zu erwartenden Energieverbrauchs bei tatsächlichem Nutzungsverhalten am tatsächlichen Standort [4].

Die Berechnung von VRV-Anlagen im Heizbetrieb mit den Verfahren der DINV18599 ist nach derzeitigem Stand der Norm zumindest unübersichtlich zu nennen. Dieser Sachverhalt setzt sich folglich bei der am Markt erhältlichen Berechnungssoftware fort. Anders als beim Kühlbetrieb ([4], Teil 7), wo in Abhängigkeit der Nutzung des Gebäudes, der Betriebsart der Anlage und der Art der Leistungsregelung die VRF-Systeme direkt als Anlagensystem abgebildet sind, erfolgt im Heizbetrieb ([4], Teil 5) die Betrachtung als Luft/Luft-Wärmepumpe. Das Lastprofil des Gebäudes wird hier für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall berechnet, der Belastungsgrad der Wärmepumpe wird durch Teillastkorrektur der Leistungszahlen in den einzelnen Temperaturklassen abgebildet.

Zur Ermittlung der Energieaufwendungen der für VRV-Anlagen relevanten Abschnitte Wärmeübergabe, Wärmeverteilung und Wärmeerzeugung lässt sich grob folgende Vorgehensweise beschreiben:

• Die Verluste bei der Übergabe der Wärme im Raum werden anhand der Nutzungsgrade für Umluftheizungen in Abhängigkeit der Regelgüte in [4], Teil 5, Tabelle 9 angegeben. Bei VRV-Innengeräten kann von einer hohen Regelgüte mit einem Nutzungsgrad von 0,93 ausgegangen werden, da die Regelung der Raumtemperatur mit PI-Verhalten temperatur- und zeitabhängig erfolgt. Für die Hilfsenergie zur Regelung und Luftförderung sind Standardwerte in den Tabellen 12 und 13 dokumentiert. Alternativ können hier Produktwerte verwendet werden. Als Betriebsdauer wird die Betriebszeit der Heizung angesetzt.
• Bei VRV-Anlagen werden systembedingt keine Verluste für die Wärmeverteilung und die Hilfsenergie bilanziert. Die Arbeit für den Transport des Kältemittels einschl. der thermischen Verluste über die Rohrleitung wird vom Verdichter erbracht und damit bei der Erzeugung berücksichtigt ([4], Teil 5, Abs. 6.4.2.5.1.2).
• Die Bestimmung der Erzeugernutzwärmeabgabe der VRV-Außengeräte erfolgt auf Grundlage des Berechnungsverfahrens für Wärmepumpen mit Wärmequelle Außenluft. Bei monovalenter Anwendung ohne weiteren Wärmeerzeuger wird der Jahres-Heizwärmebedarf zu 100% von der Wärmepumpe erbracht. Die monatliche Häufigkeitsverteilung der in Temperaturklassen aufgeteilten Außenlufttemperaturverteilung berücksichtigt die Abhängigkeit der Wärmeleistung von der Außenlufttemperatur. Standardwerte für die Leistungszahlen von VRV-Systemen in den Temperaturklassen werden in [4], Teil 5, Anhang A.7 angegeben. Diese enthalten bereits eine Teillastkorrektur bezogen auf die Auslastung. Eine anwendungsbezogene Teillastkorrektur, wie sie die anhand des Lastfaktors ermittelten Korrekturfaktoren für Teillastbetrieb bei anderen Wärmepumpensystemen darstellen (Anhang A.5), erfolgt allerdings nicht. Für VRV-Systeme würden sich bei Teillast Faktoren größer Eins ergeben, so dass die Effizienzsteigerung bei Teillast derzeit unterbewertet bleibt.
• Die Leistungszahlen beinhalten auch die Aufwendungen für die Hilfsenergie der Ventilatoren, der Regelung und sonstiger Verbraucher, sowie die Rohrleitungsverluste. VRV-Außengeräte werden als Einheit geprüft und die Hilfsenergien bereits bei der Messung der Leistungsaufnahme berücksichtigt. Die Leitungsdimensionierung der Anlagen erfolgt als Sauggasleitung für den Kühlbetrieb. Im Heizbetrieb wird diese zur Druckleitung, ist damit überdimensioniert, und führt zu einer erheblichen Reduzierung der Druckverluste. Beträgt bei einer VRV-Anlage (28kW, 60m Rohrleitungslänge, R410A) im Kühlen die Leistungsminderung ca. 10%, sind es im Heizen weniger als 2%. Die genannten Leistungsminderungen setzen dabei den Nenn-Durchfluss voraus. Bei Teillastbetrieb mit reduzierter Durchflussmenge verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit, der Druckverlust zum Quadrat und die Leistungsminderung fällt entsprechend gering aus. Zusätzlich bewirkt die hohe volumetrische Kälteleistung von R410A bei Teillast eine Senkung der Leistungsverluste gegenüber anderen Kältemitteln.

Für künftige Fassungen der DINV18599 Teil 5 wäre eine direkte Bezugnahme im Beschrieb auf VRF-Systeme bzw. allgemein auf DX-Systeme wünschenswert, um dem Anwender die Zuordnung von Werten für die Berechnung zu erleichtern. Eine differenzierte Darstellung von VRF-, Multi-Split-, Mono-Split- und Kompaktsystemen ist erforderlich, ebenso die Unterscheidung verschiedener Entwicklungsstufen der Systeme zur Bewertung von Anlagen im Bestand. Für die rechnerische Abbildung des Teillastverhaltens ist die Angabe von Korrekturfaktoren für den Teillastbetrieb notwendig, um der Leistungsregelung derartiger Systeme gerecht zu werden.

Bewertung VRV im Bestandsbau

Der Energieverbrauch von VRV-Anlagen wurde beispielhaft für ein bestehendes Bürogebäude im Raum Frankfurt untersucht (Bild 2). Das 5-geschossige Gebäude wurde im Jahre 2002 errichtet und verfügt über drei Anlagen der VRV I-Generation zur monovalenten Heizung und Kühlung. Insgesamt sind 40 Truhengeräte installiert, die die Büro- und Besprechungsräume, aber auch die Neben- und Treppenräume versorgen. Lediglich in den WC-Räumen sind Elektroheizer im Einsatz. Die Warmwasserbereitung erfolgt dezentral mit Elektro-Durchlauferhitzern.

Die Stromversorgung aller Außen- und Innengeräte erfolgt über eine gemeinsame Unterverteilung. An der Zuleitung ist zur Messung des Stromverbrauchs ein Impulsstromzähler installiert, der pro gezählte Kilowattstunde einen Impuls an das D-BACS-Zentralregelsystem liefert. Der D-BACS-Zentralregler erfasst und verwaltet den Energieverbrauch und verteilt die Anteile proportional zur erbrachten Leistung auf die einzelnen Innengeräte, Zonen und Mieter [7]. Der so gemessene Stromverbrauch für die Jahre 2003 bis 2005 ist in Bildern 3 und 4 getrennt für die Betriebsarten und einschließlich der Hilfsenergien dargestellt. Wegen eines Mieterwechsels mit anschließender Vollvermietung steigt der Heizenergieverbrauch mit Beginn des Jahres 2005 an. Der extrem heiße Sommer 2003 ist deutlich am Verlauf des Kühlenergieverbrauchs zu erkennen. Für den gesamten Zeitraum wurden folgende Werte in kWh gemessen [8]:

Die Werte bilden die Eingangsdaten für die verbrauchsorientierte Nachweisführung. Der Heizenergieverbrauchskennwert errechnet sich nach Witterungs- und Flächenkorrektur zu 36,9 kWh/(m²a). Der Vergleichswert für nur beheizte Bürogebäude beträgt 135 kWh/(m²a) (Bild 1). Der Vergleich beider Werte im Energieausweis weist einen um 73% geringeren Endenergiebedarf des VRV-beheizten Gebäudes aus.

Wie bereits erwähnt ist der direkte Vergleich der beiden unterschiedlichen End­energien wenig sinnvoll. Für eine primärenergetische Gegenüberstellung werden die Primärenergiefaktoren nach DINV18599 für den nicht erneuerbaren Anteil herangezogen ([4], Teil 1, Anhang A). Danach ergibt sich für das VRV-beheizte Gebäude mit q_P=99,6kWh/(m²a) eine Unterschreitung des Vergleichwerts qP=148,5kWh/(m²a) von 33%. Eine differenziertere Beurteilung der CO₂-Emission gestattet die Verwendung der nach GEMIS [9] ermittelten CO₂-Emissionsfaktoren. Danach werden folgende Werte angegeben:

• für Strom (deutschlandweit, [9]: UBA 2005):562g/kWhel
• für Gasbrennwertgeräte (g CO₂ / kWh Heizwärme):242g/kWhtherm
• für Ölkessel (g CO₂ / kWh Heizwärme):352 g/kWhtherm

Das Beispielgebäude mit VRV I-Anlagentechnik hat danach eine um 56% geringere CO₂-Emission gegenüber dem Vergleichswert eines Ölkessels, und um 37% geringere gegenüber dem Wert eines Gasbrennwertgerätes (Bild 5). Auch wenn das Beispielgebäude aufgrund des jungen Baujahrs einen zum Vergleichsgebäude überdurchschnittlichen Dämmstandard aufweist, ist quantitativ bereits eine Tendenz zu erkennen, die sich bei der folgenden Bedarfsberechnung fortsetzt.

Bewertung VRV im Neubau

Im Rahmen der Planung eines Gewerbeneubaus in Ludwigshafen wurde gemeinsam mit dem TGA-Fachplaner und dem Bauphysiker die Bedarfsberechnung nach DINV18599 durchgeführt [11]. Der Massivholzbau für den Verkauf von Computern und Com­puterzubehör ist in die Bereiche Ausstellung/Verkauf, Werkstatt und Lager aufgeteilt und wurde nach dem Ein-Zonen-Modell dem Nutzungstyp Einzelhandel zugeordnet (Bild 6). Die großen Fensterflächen sind mit baulichen Verschattungen versehen, dennoch konnte auf eine maschinelle Kühlung nicht verzichtet werden. Die Heizlast von 22kW wird vollständig durch das eingesetzte VRV III-System gedeckt. Die Konditionierung der Raumluft erfolgt über vier dezentral angeordnete Kanalanschlussgeräte. Ein VAM-Modul übernimmt die Frischluft­versorgung der Bereiche als zentrales, autarkes System. Die Warmwasserbereitung im WC-Bereich erfolgt mit Elektro-Durchlauferhitzern.

Die Berechnung der energetischen Kennwerte erfolgte, soweit möglich und zulässig, unter Verwendung der Produktwerte für die geplante Gebäude- und Anlagenausführung. Bei fehlenden Angaben wurde auf Standardwerte aus der Norm zurückgegriffen. Für die Berechnung des Referenzgebäudes sind die Vorgaben für Bauteile und Anlagentechnik der EnEV 2007 zu verwenden ([1], Anlage 2, Tabelle 1). Die Referenz-Heiztechnik verwendet zur Wärmeerzeugung einen NT-Gebläse-Heizkessel mit Erdgas, die Referenz-Kühltechnik eine zentrale RLT-Kühlung mit wassergekühlter Kompressions-Kälteerzeugung und Trockenrückkühlung. Die Warmwasserbereitung entspricht der des geplanten Gebäudes.

Die Ergebnisse des Heizenergiebedarfes weisen auf eine Besonderheit beim geplanten Baukörper hin. Der Heizenergiebedarf ist beim Referenzgebäude mit 21656kWh/a rund ein Drittel geringer als beim geplanten Neubau (30955kWh/a). Trotz besserer Wärmedämmung des Neubaus führt der maßgeblich höhere Lüftungswärmebedarf zu diesem Ergebnis. Dieser resultiert aus der Einstufung des geplanten Gebäudes in die Dichtheit-Kategorie II. Das Referenzgebäude ist mit Dichtheit-Kategorie I zu berechnen. Der Verzicht auf die aufwendige und kostenintensive Dichtheitsprüfung war durchaus im Sinne des Bauherrn, zudem hatte der Architekt Bedenken, dass das Gebäude den Dichtheitstest nicht besteht.

Trotz dieses Sachverhalts zeigt die Gegenüberstellung der Ergebnisse für den Primärenergiebedarf der Heizwärme eine Minderung von 31% gegenüber der Referenztechnik (Bild 7 und Bild 8). Würde man den Heizenergiebedarf des Referenzgebäudes für den geplanten Neubau ansetzen, also gleiche Voraussetzungen schaffen, beträgt die primärenergetische Einsparung durch die VRV-Beheizung sogar 48%. Der Anstieg des Hilfsenergiebedarfs um ca. 2000kWh/a Primärenergie durch die Ventilatoren der Umluftgeräte ist dabei mit verrechnet worden.

Im Bereich Klimakälte wird durch die VRV-Technik eine Reduzierung um 54% Primärenergie gegenüber der Referenztechnik erreicht. Der gesamte Primärenergiebedarf des Gebäudes unterschreitet den Referenzgebäudewert um 21%, trotz höherem Heizwärmebedarf, aber mit reduzierten Investitionskosten durch die Realisierung der Heiz- und Kühlfunktion in einem System und durch die verminderten baulichen Anforderungen an die Dichtheit (Bild 8).

Fazit

Der Einsatz von VRV-Systemen zur Beheizung von Gebäuden reduziert den CO₂-Ausstoß erheblich. Mit der aktuellen VRV III-Technologie kann bei heutigen Dämmstandards moderner Gebäude die CO₂-Emission nahezu halbiert werden. Künftige Effizienzsteigerungen der Kraftwerke oder die Erhöhung des regenerativen Anteils bei der Stromerzeugung wirkt zusätzlich auf die Emissionswerte, auch noch bei Anlagen im Bestand.

Literatur:

[1] EnEV 2007: Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordung EnEV), BGBL 2007 Teil I Nr. 34, Bonn, 26. Juli 2007

[2] Regeln für Energieverbrauchskennwerte und Vergleichswerte im Nichtwohngebäudebestand, Bundes­ministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Berlin, 26. Juli 2007

[3] Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Nichtwohngebäudebestand, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Berlin, 26. Juli 2007

[4] DINV18599: Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwasser und Beleuchtung, Teile 1 bis 10, Beuth Verlag, Berlin, Februar 2007

[5] Klimafaktoren für Energieverbrauchskennwerte, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, http://www.bbr.bund.de / DE / ForschenBeraten / Bauwesen / EnergieKlima / EnergieGebaeude / novellierungEnEV.html, lfd. Aktualisierung

[6] Trogisch, Achim: DINV18599 Aufwand hemmt Anwendung, TGA Fachplaner, 2008, Heft 6, S. 4649

[7] Schädlich, Silvia (IHR); Bothe, Achim (FH Gelsenkirchen): Stellungnahme zur Bewertung des Energieabrechnungsverfahrens PPD für Daikin-VRV-Systeme, Innovationszentrum Hochschulgruppe Ruhr IHR e.V., Duisburg, Oktober 2006

[8] Gemeinhardt, Steffen: Vortrag Energieverbrauch von VRV-Anlagen Vorausberechnung und Abrechnung von Energieverbrauch und Verbrauchskosten am Beispiel eines Bürogebäudes, Daikin A/C Germany, ­ Februar 2006

[9] Globales Emissions-Modell integrierter Systeme (GEMIS) 4.4.2 Öko-Institut e.V., Darmstadt, Mai 2007

[10] CO₂-Kennzeichnung von Wärmepumpen, Energieagentur NRW, Februar 2008

[11] DÄMMWERK Bauphysik-Software, Nachweis DINV18599, Version 2007

Technischer Planungsberater, Daikin Airconditioning Germany GmbH, Mainaschaff