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Einfluss von raumbasierten Regelungen auf den Raumwärmebedarf eines Einfamilienhauses mit

Niedertemperatur-Verteilsystem

13 Februar 2017

Masterarbeit, MAS Passerelle Energieingenieur Gebäude

Autor: Igor Mojic

E-Mail: [email protected]

Betreuer: Prof. Gerhard Zweifel, HSLU, Technik & Architektur, ZIG

Experte: Dr. Michel Haller, HSR, Institut für Solartechnik - SPF

Inhaltsverzeichnis

1 Zusammenfassung ....................................................................................................... 1 2 Abstract ......................................................................................................................... 2 3 Einleitung ...................................................................................................................... 3 4 Methodik ........................................................................................................................ 5

4.1 Gebäudemodell ....................................................................................................... 5 4.2 Interne Lasten .......................................................................................................... 7 4.3 Gebäudetechnik ...................................................................................................... 7

4.3.1 Systemkonzept .................................................................................................... 7 4.3.2 Wärmepumpe ...................................................................................................... 9 4.3.3 Sonnenschutz .................................................................................................... 10 4.3.4 Komfortlüftung ................................................................................................... 10 4.3.5 Wärmeabgabesystem ........................................................................................ 11 4.3.6 Thermostatventil ................................................................................................ 12

4.4 Beurteilungsmethode für die Auswertung .............................................................. 13 4.4.1 Komfortkriterien ................................................................................................. 13 4.4.2 Temperatur ........................................................................................................ 14 4.4.3 Betrieb Heizungsanlage ..................................................................................... 14

5 Resultate ..................................................................................................................... 15 5.1 Validierung ............................................................................................................ 15

5.1.1 Gebäudemodell ................................................................................................. 15 5.1.2 Wärmepumpe .................................................................................................... 16

5.2 Raumtemperatursollwert für alle Zonen gleich ....................................................... 16 5.2.1 Empfundene und mittlere Raumtemperatur ....................................................... 17 5.2.2 Komfortanalyse nach Fanger ............................................................................. 18 5.2.3 Gebäudetechnik ................................................................................................ 20

5.3 Reduzierter Raumtemperatursollwert einzelner Zonen .......................................... 23 5.3.1 Energiebilanz ..................................................................................................... 24

5.4 Zusätzliche Untersuchungen ................................................................................. 25 6 Diskussion .................................................................................................................. 27 7 Dank ............................................................................................................................. 30 8 Literaturverzeichnis .................................................................................................... 31

Anhang A Gebäudemodellierung ..................................................................................... 33 A.1 Bilder aus IDA ICE vom modellierten Gebäude ...................................................... 33 A.2 Aufbau der Gebäudehülle ...................................................................................... 34 A.3 Einstellung der Wärmebrücken (IDA ICE) .............................................................. 36 A.4 Standard-Nutzungsbedingungen ............................................................................ 37

Anhang B Gebäudetechnik ............................................................................................... 38 B.1 Wärmepumpen Einstellungen IDA ICE .................................................................. 38 B.2 Einstellungen Fussbodenheizung .......................................................................... 39 B.3 Wärmepumpe Validierung ..................................................................................... 39

Anhang C Weitere Untersuchungen und Resultate ........................................................ 41 C.1 Untersuchung Bodenaufbau .................................................................................. 41

Masterarbeit Igor Mojic 1/41

1 Zusammenfassung

Die Wärmepumpe (WP) ist in der Schweiz ein weit verbreitetes Heizungssystem und erfreut

sich gerade im Neubau grosser Beliebtheit. Um optimale Betriebseigenschaften für die

Wärmepumpe zu gewährleisten, sind möglichst tiefe Vorlauftemperaturen anzustreben. Bei

Neubauten oder sehr guten Sanierungen kann der Heizwärmebedarf so weit gesenkt werden,

dass mit einer Fussbodenheizung bei Auslegung sehr tiefe Vorlauftemperaturen von maximal

30 °C realisiert werden können. Nach der SIA-Norm 384/1 (Heizungsanlagen in Gebäuden –

Grundlagen und Anforderungen) kann in diesem Fall auf eine Einzelraumregelung verzichtet

werden. Die Begründung dafür ist der sogenannte „Selbstregeleffekt“, welcher eine nicht

technische Regelung der Wärmeabgabe in den Raum beschreibt. In dieser Arbeit wurde der

Nutzen von Einzelraumregelungen bezüglich Energieverbrauch noch einmal untersucht,

jedoch mit einigen Anpassungen gegenüber früheren Studien. Der Nutzen der

Einzelraumregelung wurde für ein Einfamilienhaus mit dem Gebäudesimulationsprogramm

IDA ICE (v4.7) simuliert. Dabei wurde zwischen zwei Fällen unterschieden:

1. Alle Räume im Einfamilienhaus sind auf die gleiche Temperatur (21 °C) eingestellt.

2. Die Temperatur ist in einzelnen Räumen abgesenkt (16°C), wenn z.B. Kinder ausziehen.

Für den Fall 1 ergibt die Simulation mit Thermostatventilen für alle Zonen eine Bandbreite der

Raumlufttemperatur von 19.5 °C bis 24 °C. Die Simulation ohne Thermostatventile weist für

die gleichen Zonen eine im Durchschnitt 0.5 K bis 1.5 K höhere Raumtemperatur auf. Der

Komfortwert PMV (Predictive Mean Vote) nach Fanger wird durch die erhöhte

Raumtemperatur besser ohne Thermostatventile erreicht. Bezüglich des

Primärenergieverbrauchs der WP zeigt sich, dass durch den Einsatz von

Einzelraumregelungen eine wesentliche elektrische Einsparung von 29% erzielt werden kann.

Geht man davon aus, dass der Bewohner den Sollwert des Thermostatventils aus

Komfortgründen um 1 K anhebt, reduziert sich die Einsparung auf 11%, was immer noch ein

erheblicher Wert ist.

Die Simulationsresultate für den Fall 2 zeigen, dass zu den 29% aus Fall 1 eine zusätzliche

elektrische Einsparung von 6.8% erreicht werden kann und dies dank der Kombination aus

Thermostatventilen und reduzierten Raumtemperatur in einzelnen Zonen.

Das Fazit dieser Untersuchung ist, dass auch bei tiefen Vorlauftemperaturen mit modernen

Heizungssystemen wesentliche Einsparungen erzielt werden können, dank dem Einsatz von

Einzelraumregelungen.


2 Abstract

In Switzerland, heat pumps (HP) are a popular solution for space heating, especially in the

case of new single-family houses. Due to the fact that heat pumps work more efficiently at low

sink temperatures, it is beneficial to combine them with floor heating systems. Nowadays, new

or renovated buildings can have very low heating demands. In combination with floor heating

systems, this leads to low flow temperatures of about 30 °C. Standards such as SIA 384/1

allow floor heating systems without individual room controllers, as long as the calculated design

flow temperature is below 30 °C. The argumentation is that a self-regulating effect comes into

operation, because of the low temperature differences between heating surface and air

temperatures. In this master thesis, it was investigated, whether the use of thermostatic valves

leads to energy savings in the case of heat distribution systems with low flow temperatures.

Compared to other studies, which have analyzed this topic, different assumptions were made

regarding the building and the heat pump. Simulations were done with IDA ICE, a whole

building simulation software. Distinction was made between a building with thermostatic valves

in each room and a building without thermostatic valves. Further, the simulations were done

for two cases regarding the set temperature of the rooms:

1. All rooms of the building have the same temperature set point of 21 °C.

2. Some of the rooms have a lower temperature set point of 16 °C, e.g. rooms that are

not used any more.

For case 1 and thermostatic valves in all rooms, the resulting air temperatures in the rooms

are between 20.5 °C and 24 °C. Temperatures obtained in the simulation without thermostatic

valves are about 0.5 to 1.5 K higher. This also affects the total electricity use of the heating

system, which is 29% higher for the case without room control. If we assume that for comfort

reasons a resident wants to have a higher room temperature by 1 K, the electric savings

reduce to 11%, which still is a high value.

The results for case 2 show that, when some rooms have a reduced set point temperature,

additional savings to case 1 of 6.8% can be realized by using thermostatic valves.

To conclude, the investigation show, that even in the case of floor heating systems with low

flow temperatures, individual room control can lead to significant energy savings.


3 Einleitung

Die Wärmepumpe hat sich auf dem Schweizer Markt für die Bereitstellung von Warmwasser

und Heizungswärme etabliert. Im Neubau von Einfamilienhäusern (EFH) betrug der

Marktanteil in den Jahren 2006 bis 2013 fast 65% [1]. Somit ist die Wärmepumpe das

dominierende Heizsystem in der Schweiz. Die Nutzung der Umgebungswärme soll nach den

Energiestrategien des Bundes weiter stark an Bedeutung zunehmen [2]. Um optimale

Betriebseigenschaften für die Wärmepumpe zu gewährleisten, sind möglichst tiefe

Vorlauftemperaturen anzustreben. Dies kann dank dem tiefen Heizenergiebedarf von

neugebauten EFH mit einer Flächenheizung optimal erreicht werden. Auch auf

Gesetzesebene, neue MuKen [3], wird eine maximale Vorlauftemperatur von 35 °C für

Fussbodenheizungen vorgeschrieben. Nach SIA 384/1 [4] kann bei einer Vorlauftemperatur

von weniger als 30°C sogar auf eine Einzelraumregelung verzichtet werden. Als Begründung

dient hier der sogenannte Selbstregeleffekt, welcher folgendermassen erklärt werden kann:

Bei Niedrigenergiehäusern (Minergie) ist die Systemheiztemperatur sehr tief (23 °C – 29 °C)

und damit nahe an der Raumtemperatur. Sobald nun die Raumtemperatur durch äussere

Einflüsse wie Sonneneinstrahlung angehoben wird, sinkt die Temperaturdifferenz zwischen

Bodentemperatur und Raumtemperatur, bzw. der Raumoberflächen, was zur Folge hat, dass

weniger Wärme an den Raum abgegeben wird. Damit wird ein Regeleffekt ohne technische

Massnahmen erreicht. Diverse Studien [5][6] haben diesen Effekt untersucht und folgern

daraus, dass Einzelraumregelungen mit Thermostatventilen oder elektronischen Reglern bei

Niedrigtemperaturbodenheizungen nicht sinnvoll sind. Im Gegensatz dazu steht die

Simulationsanalyse aus dem IEA SHC Task 44 [7], in welcher hervorgeht, dass

Thermostatventile den elektrischen Verbrauch von Wärmepumpen substantiell verringern.

Gemäss einem Bericht des Passivhaus Instituts [8] ist es unzulässig den Selbstregeleffekt nur

auf die Oberflächentemperatur zu beziehen. Der Estrich kann nämlich durch die

Heizungsrohre weiterhin aufgeheizt werden, auch wenn die Oberflächentemperatur durch

externe Einflüsse ansteigt. Dies ist begründet durch die tieferen Temperaturen im Estrich im

Vergleich zur Oberflächentemperatur. Diese Temperaturdifferenz wird verursacht durch die

thermische Masse des Fussbodens, welche zu einer Zeitverzögerung des

Temperaturausgleichs führt.

In dieser Masterarbeit soll der Nutzen von Einzelraumregelungen bezüglich Energieverbrauch

noch einmal untersucht werden, jedoch mit einigen Anpassungen zu den schon gemachten

Studien. Im Gegensatz zur STASCH [6] Studie soll eine Komfortlüftung, eine

drehzahlgeregelte Luft-Wasser Wärmepumpe und eine effiziente, regelbare Heizkreispumpe

zum Einsatz kommen. Das zu untersuchende Gebäude soll ein Niedrigenergiehaus (Minergie)


sein und einen grossen Verglasungsanteil aufweisen, um den heutigen modernen Ansprüchen

der Bauherren zu entsprechen.

In dieser Arbeit soll der Nutzen einer Einzelraumregelung bei maximaler Vorlauftemperatur

von 30°C mittels Simulation von zwei Fällen untersucht werden:

a) Alle Räume sind durchgehend auf die gleiche Temperatur eingestellt.

b) Die Temperatur wird in einzelnen Räumen abgesenkt (zum Beispiel Schlafzimmer,

oder Gästezimmer, die oft unbenutzt sind).

Das Ziel dieser Masterarbeit ist, zu eruieren, ob nicht auch bei tiefen Vorlauftemperaturen,

dank einer Einzelraumregelung eine wesentliche Energieeinsparung erzielt werden kann.


4 Methodik

Für die vorliegende Arbeit wurde das Gebäudesimulationsprogramm IDA ICE Version 4.7 [9]

verwendet. Für die Validierung des Gebäudemodelles und der Bestimmung der Norm-

Heizlast, respektive des Wärmebedarfs wurde zusätzlich das Berechnungsprogramm SIA TEC

Tool [10] verwendet.

Um die Effekte der Einzelraumregelung zu analysieren, wurde die Heizperiode vom 1. Oktober

bis 1. April dynamisch simuliert. Es wurde ein dynamischer Zeitschritt für die Simulation

gewählt (max. 1.5 Stunden). Für die Ausgabe der Resultate wurden Zwei-Minuten-Zeitschritte

gewählt. Als Standort wurde Zürich gewählt und die Wetterdaten der Klimastation Zürich-

Kloten genutzt (Referenzjahr: normal, nach SIA2028 [11]). Die weiteren Annahmen und

Simulationsparameter werden in den folgenden spezifischen Kapiteln beschrieben.

4.1 Gebäudemodell

Als Gebäude wurde ein zwei stöckiges Einfamilienhaus (EFH) mit einer Energiebezugsfläche

(EBF) von 195 m2 ausgewählt. Die Zonenaufteilung, wie auch die Zonengrössen wurden

angelehnt an ein EFH, welches vom Architekturbüro Schaltegger am Standort Hittnau [12]

realisiert wurde. Es wurde bewusst darauf verzichtet, die Garage und das Untergeschoss zu

modellieren, da kein Erkenntnisgewinn zu erwarten ist bei Hinzunahme dieser beiden Zonen.

Der Fensteranteil wurde im Vergleich zu den Originalplänen um 33% erhöht. Damit wird die

Forderung erfüllt, ein Gebäude mit hohem Glasanteil zu untersuchen. In Abbildung 1 sind die

Zonen für das Erdgeschoss (EG) und das Obergeschoss (OG) mit der entsprechenden

Bemassung abgebildet. Für die Zonen „Wohnen“ (gelb) wird neben der Zonenfläche auch noch

der Fensteranteil (in Klammern) bezogen auf die Fläche aufgeführt. Weiter sind die gleichen

Nutzungsarten der einzelnen Zonen nach SIA 2024 [13], über die farbliche Kennzeichnung der

Grundfläche dargestellt. Verschiedene 2D/3D-Ansichten des Gebäudes sind im Anhang A.1

zu finden.

Das Gebäude wurde als Leichtbau modelliert und die Gebäudehülle so konzipiert, dass der

Heizwärmebedarf mindestens dem Minergie-Standard genügt. Damit kann für eine

Fussbodenheizung bei Auslegungsaussentemperatur eine Heizvorlauftemperatur von 30 °C

oder weniger realisiert werden. Unter diesen Gegebenheiten kann nach SIA 384/1 [4] auf eine

Einzelraumregelung verzichtet werden.


Abbildung 1: Raumaufteilung und Vermassung der verschiedenen Zonen, links das EG und rechts das OG.

Der Heizwärmebedarf nach dem Minergie-Standard darf für dieses Objekt nicht mehr als

153,1 MJ/m2a betragen. Dieser Wert wird mit 83.6 MJ/m2a, respektive mit 80.4 MJ/m2a von

den jeweiligen Programmen, TEC Tool und IDA ICE, deutlich unterschritten (siehe Kapitel

6.1.1, Tabelle 5). Der Grenzwert wird mit Hilfe der Norm SIA 380/1:2009 [14] und dem

Nutzungsreglement [15] vom Verein Minergie wie folgt ermittelt:

Gl.1: 𝑄ℎ,𝑙𝑖 = (𝑄ℎ,𝑙𝑖0 + ∆𝑄ℎ,𝑙𝑖 ∙ (𝐴𝑡ℎ 𝐴𝐸⁄ )) ∙ 0.9

mit:

𝑄ℎ,𝑙𝑖0 = 60.3 𝑀𝐽 𝑚2, 𝐺𝑟𝑒𝑛𝑧𝑤𝑒𝑟𝑡 𝑆𝐼𝐴 − 𝑢𝑚 7.2 % 𝐽𝑎ℎ𝑟𝑒𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑙𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 𝑘𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑒𝑟𝑡⁄

∆𝑄ℎ,𝑙𝑖 = 60.3 𝑀𝐽 𝑚2, 𝐺𝑟𝑒𝑛𝑧𝑤𝑒𝑟𝑡 𝑆𝐼𝐴 − 𝑢𝑚 7.2 % 𝐽𝑎ℎ𝑟𝑒𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑙𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 𝑘𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑒𝑟𝑡⁄

𝐴𝑡ℎ = 355.1 𝑚2, 𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝐺𝑒𝑏ä𝑢𝑑𝑒ℎü𝑙𝑙𝑓𝑙ä𝑐ℎ𝑒

𝐴𝐸 = 195 𝑚2 , 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑏𝑒𝑧𝑢𝑔𝑠𝑓𝑙ä𝑐ℎ𝑒 𝐸𝐵𝐹

Tabelle 1 und Tabelle 2 fassen die wichtigsten Bauteileigenschaften zusammen, die den

Energiebedarf des Gebäudes beeinflussen. Die detaillierten Kennzahlen zu den einzelnen

Aufbauten der Gebäudehülle können im Anhang A.2 gefunden werden. Diese lehnen sich

stark an die Vorgaben des Bundesamtes für Energie (BFE) bezüglich dynamischen

Simulationen an (Testgebäude A2, Test-Nr.: 03a) [16]. Die Wärmebrücken wurden mittels

interner Berechnung von IDA ICE mitberücksichtigt, die genauen Einstellungen sind im

Anhang A.3 aufgeführt.


Tabelle 1: Zusammenfassung der U-Werte für die Gebäudehülle.

U-Wert [W/m2K] Dicke Aufbau [m] Wärmekapazität

[Wh/m2K] (aussen)

Aussenwand 0.18 0.325 14

Innenwand 0.47 0.170 12

Boden 0.2 0.463 28

Dach 0.21 0.269 6

Zwischendecke 0.22 0.367 26

Tabelle 2: Fenster Eigenschaften.

Fenster g Ug τe τv AF

Rahmen-anteil

U-Wert Rahmen

- W/m2K - - m2 - W/m2K

Entree Fenster a) 0.5 0.7 0.36 0.63 0.8 0.35 1.7

Treppenhaus gross (OG) 0.5 0.7 0.36 0.63 2.16 0.22 1.7

Treppenhaus klein (EG) 0.5 0.7 0.36 0.63 0.85 0.35 1.7

Küche/Wohnen/Zimmer 1 0.5 0.7 0.36 0.63 4.2 0.17 1.7

Zimmer 2, 3 & 4 0.5 0.7 0.36 0.63 2.94 0.22 1.7

Bad 0.5 0.7 0.36 0.63 1.36 0.35 1.7

Galerie 0.5 0.7 0.36 0.63 3.6 0.22 1.7

a) Parallel zur Eingangstüre, Eingangstüre hat die selben Eigenschaften wie die Aussenwand.

4.2 Interne Lasten

Die internen Lasten entsprechen den Vorgaben des SIA Merkblattes 2024 [13]. Die

Nutzungsbedingung der einzelnen Zonen sind in der Tabelle 15 im Anhang A.4 aufgeführt.

4.3 Gebäudetechnik

4.3.1 Systemkonzept

Das Gebäudetechnikkonzept lehnt sich stark an die STASCH Studie [6] an. Es wurden jedoch

einige Anpassungen gemacht, um den aktuellen Stand der Technik besser abzubilden. Als

Heizung wurde eine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einer Wärmeleistung von 5 kW (A-7/W30)

ausgewählt. Ein wesentlicher Unterschied zur oben erwähnten Studie ist, dass die

Wärmepumpe drehzahlgeregelt ist, und somit die Kondensatorleistung, bis zu einem gewissen

Grad, dem Bedarf angepasst werden kann. Detaillierte Angaben, insbesondere die

eingesetzten Simulationsparameter der Wärmepumpe, sind im Anhang B.1 zu finden.


Um das Analgenkonzept einfach zu halten und mögliche Fehlerquellen zu minimieren, wurde

auf eine Warmwasserbereitstellung verzichtet. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der

Hydraulik. Es wird auf einen Warmwasserspeicher und auf einen Pufferspeicher verzichtet, die

Wärmepumpe ist somit direkt mit dem Heizkreis verbunden. Das bedingt jedoch eine

angepasste Regelung, damit die Wärmepumpe bei tiefem Massenstrom nicht in Störung geht

(siehe Kapitel 5.3.2 Wärmepumpe). Die Rohrverluste, wie auch die Wärmekapazität der

Verteilleitungen, wurden in dieser Studie vernachlässigt. Diese sind relevant bei hohen

Ein/Aus – Schaltzyklen der Wärmepumpe, was bei einer drehzahlgeregelten Wärmepumpe

nicht zu erwarten ist. Als Heizkreispumpe wurde die Standard Pumpe („Einfache Pumpe“) von

IDA ICE verwendet. Diese hat einen fixen Pumpenwirkungsgrad von 0.5 und berechnet den

elektrischen Strom abhängig vom Massenstrom nach folgender vereinfachten Formel:

Gl. 2: 𝑃𝑒𝑙 =�̇�∙∆𝑝

𝜌𝑤𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟∙𝜂𝑃𝑢𝑚𝑝𝑒, 𝑚𝑖𝑡 ∆𝑝 = 0.3𝑏𝑎𝑟, 𝜌 = 995.4

𝑘𝑔

𝑚3, 𝜂𝑃𝑢𝑚𝑝𝑒 = 0.5

Die benötigte elektrische Leistung der Heizkreispumpe beträgt bei vollem Massenstrom

(836 kg/h) 13.4 W.

Abbildung 2 zeigt das vereinfachte Anlagenschema nach STASCH Teil 1 [17], ohne

Überströmventil, Warmwassererwärmung und technischen Speicher.

Abbildung 2: Schema zur STASCH Schaltung 1, ohne Überströmventil und Speicher, welches in der

vorliegenden Studie verwendet wurde.


4.3.2 Wärmepumpe

Für diese Studie wurde eine Luft/Wasser-Wärmepumpe gewählt, weil diese den grössten

Marktanteil bei den Wärmepumpen aufweisen [1]. Zusätzlich sind diese Wärmepumpen seit

zwei bis drei Jahren vor allem bei den Einfamilienhäusern (EFH) überwiegend mit einer

Drehzahlregelung ausgestattet [18]. Für die Simulation wurde das Standardmodell für Luft-

Wasser-Wärmepumpen von IDA ICE v4.7 eingesetzt. Mit diesem Modell lässt sich die

Kompressorleistung zwischen 30 und 100% regeln. Die Drehzahl wird mit einem PI-Regler

nach der gewünschten Vorlauftemperatur geregelt. Die Vorlauftemperatur wird direkt über die

Heizkurve definiert (siehe Abbildung 3). Das Ein- und Ausschalten der WP wird über drei

Bedingungen definiert:

- Rücklauftemperaturregelung mit Einbezug der Aussenlufttemperatur über einen 2-

Punkte-Regler mit einer Hysterese von 2 K

- Minimaler Durchfluss von 125 kg/h, damit die WP nicht in Störung geht (Hysterese vom

2-Punkte-Regler beträgt +-25 kg/h)

- Sperrzeiten bedingt durch die Elektrizitätswerke und die Warmwasserladung

Der Wärmepumpenbetrieb unterliegt vier Sperrzeiten, bestehend aus zwei

Warmwasserladungen von 6.00 Uhr bis 6.30 Uhr und 17.30 Uhr bis 18.00 Uhr, und zwei

Sperrungen des Elektrizitätswerks von 11.00 Uhr bis 12.00 Uhr und 22.00 Uhr bis 24.00 Uhr.

Die Heizleistung der Wärmepumpe wurde nach der SIA 384.201 [19] (Norm-Heizlast, siehe

Tabelle 5) berechnet. Es wurde der Mittelwert aus den Ergebnissen vom TEC Tool und IDA

ICE gewählt, welcher etwa 4 kW beträgt. In der Realität wird die Wärmepumpe mit sehr hoher

Wahrscheinlichkeit auch Warmwasser bereitstellen und somit grösser dimensioniert sein.

Deshalb wurde 1 kW zur Norm-Heizleistung dazu gerechnet, wie es in der STASCH Studie [6]

für einen 4 Personen Haushalt empfohlen wird.

Abbildung 3: Heizkurve: orange Vorlaufkennlinie und blau Rücklaufkennlinie.


Der Aufbau der Hydraulik in der Simulation konnte nicht wie gewünscht umgesetzt werden.

Das Wärmepumpenmodell benötigt auch in abgeschaltetem Zustand einen minimalen

Massenstrom damit die Simulation ohne Störung durchläuft. Aus diesem Grund, wird ein

minimaler Massenstrom von 53 kg/h, summiert über die beiden Zonen „Entree“ und „Vorplatz“,

garantiert.

4.3.3 Sonnenschutz

Als Sonnenschutz wurden aussenliegende Lamellenstoren eingesetzt. Dabei wird der g-Wert

der Fenster von 0.5 auf 0.07 reduziert. Die Regelung wurde entsprechend der SIA180 [20]

umgesetzt. Die Verschattung erfolgt stufenlos sobald die Einstrahlung auf die Fensterfläche

175 W/m2 übersteigt und die Raumtemperatur höher als 23 °C ist. In der SIA180 [20] wird

bezüglich der Raumtemperatur kein fester Wert angegeben. Im Projekt STASCH [6] wurde ein

Wert von 22.5 °C gewählt.

4.3.4 Komfortlüftung

Im Unterschied zur STASCH [6] Studie wird in dieser Arbeit eine Komfortlüftung mit simuliert.

Für die Wärmerückgewinnung wurde mit einem Wirkungsgrad von 80% gerechnet. Eine

Feuchterückgewinnung, Lufterwärmung oder Kühlung wurde nicht mitberücksichtigt. In

Tabelle 3 sind die Zu- und Abluftmengen für die einzelnen Zonen zusammengefasst. Der

Volumenstrom wird als konstant angenommen. Der Luftvolumenstrom wurde nach SIA

Merkblatt 2023 (Tabelle 12, für 5 Personen) [21] ausgelegt.

Damit ein Überströmen zwischen den Zonen garantiert ist, wird eine Luftdurchlässigkeitsfläche

der Türen von 0.01 m2 angenommen. Dies entspricht bei den eingesetzten Türen einem

Luftspalt von 1.25 cm Höhe. Nach Minergie-Standard wird ein minimaler Luftspalt von 10 mm

empfohlen [22]. Die Zimmertüren werden nach einem Zeitplan, siehe Abbildung 4, geöffnet

und geschlossen (0 = Geschlossen, 1 = Offen). Die Türen für Bad und WC sind generell als

geschlossen angenommen worden. Für die Untersuchung ob eine Raumtemperaturreduktion

für ungenutzte Zonen eine Energieeinsparung bringt (Kapitel 6.3), wurde für die betroffenen

Zimmer die Türen als „immer geschlossen“ angenommen.

Tageszeit

Abbildung 4: Zeitplan für das Öffnen und Schliessen von Zimmertüren.


Tabelle 3: Zuluft- und Abluftmengen aller Zonen.

Zuluft [m3/h]

(m3/hm2)

Abluft [m3/h]

(m3/hm2)

Entree 0 20 (2.847)

WC/DU 0 45 (12.27)

Treppenhaus 0 0

Küche/Wohnen 30 (0.625) 60 (1.25)

Zimmer 1 35 (2.699) 0

Vorplatz 0 0

Bad 0 45 (2.841)

Zimmer 4 35 (2.289) 0

Galerie 0 0

Zimmer 2 35 (2.252) 0

Zimmer 3 35 (2.295) 0

Total: 170 170

4.3.5 Wärmeabgabesystem

Für diese Simulationsstudie wurde das Standardmodell der Fussbodenheizung in IDA ICE

v4.7 verwendet, dieses baut in der stationären Form der Widerstandsmethode des Standards

EN15377-1 [23]. Dabei wird eine Heizebene im definierten Bodenaufbau auf eine bestimmte

Höhe eingefügt. In Abbildung 5 ist der Bodenaufbau für das EG dargestellt und in Abbildung 6

der Aufbau der Zwischendecke im OG.

Abbildung 5: Bodenaufbau und Heizungsebene EG.


Abbildung 6: Bodenaufbau und Heizungsebene OG.

Die Bodenheizung wurde mit einer Vorlauftemperatur von 30°C und einer Rücklauftemperatur

von 26°C ausgelegt. Die Heizleistung der einzelnen Zonen entspricht der Norm-Heizleistung

nach SIA384.201 [19] (Tabelle 5, TEC Tool) mit einem Sicherheitszuschlag von 10%. Der

Norm-Massenstrom der einzelnen Zonen wird direkt über das Modell der Fussbodenheizung

berechnet. Für die Zone „Treppenhaus“ wurde keine Heizung simuliert, der Energiebedarf

dieser Zone muss über die anderen Zonen gedeckt werden. Detaillierte Angaben zu den

Massenströmen in den einzelnen Zonen und Parametereinstellungen des Fussbodenmodells

sind im Anhang B.2 zu finden.

4.3.6 Thermostatventil

Das Thermostatventil ist in der Simulation mit einem P-Regler abgebildet. Dieser Regler ist in

der Standardmodellbibliothek von IDA ICE enthalten. Das Proportionalband beträgt 2 K. Die

Thermostatventil-Kennlinie entspricht einer Geraden (0% Hub = 0% Massenstrom, 100% Hub

= 100% Massenstrom), was nicht den Ventilen in der Realität entspricht, welche bei einem

Hub von 40% einen Massenstrom von mehr als 90% aufweisen. Diese Vereinfachung kann

jedoch als akzeptabel angesehen werden, da Fussbodenheizungen sehr träge Systeme sind.

Aus diesem Grund wird kein nennenswerter Einfluss dieser Vereinfachung auf die Ergebnisse

erwartet.


4.4 Beurteilungsmethode für die Auswertung

4.4.1 Komfortkriterien

Für diese Arbeit wird das mittlere Votum PMV (Predicted Mean Vote) nach P. Ole Fanger

(1934-2006) angewendet. Der PMV-Wert ist sowohl von den Einflüssen des Raumes (Luft-

und Oberflächentemperaturen, Luftbewegung und- feuchte), als auch von den sich im Raum

befindenden Menschen (körperliche Aktivität, Bekleidung) abhängig [24]. IDA ICE bietet hier

eine direkte Auswertung des PMV innerhalb des Zonenmodelles. Die Berechnung stützt sich

auf die EN ISO 7730 [25]. Das PMV ist eine Zahl, welche in einer 7-stufigen

Klimabeurteilungsskala (siehe Tabelle 4) die durchschnittliche Behaglichkeitsbeurteilung einer

grossen Personengruppe vorhersagt.

Tabelle 4: Klimabeurteilungsskala nach Fanger [24].

PMV -3 -2 -1 0 +1 +2 +3

Beurteilung Kalt Kühl Leicht kühl Neutral Leicht warm Warm heiss

Ein weiterer Index nach Fanger ist der PPD (Percentage of Persons Dissatisfied), welcher den

Prozentsatz der unzufriedenen Personen ausweist. Der Zusammenhang zwischen dem PPD

und dem PMV ist in der Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Erwarteter Prozentsatz der Unzufriedenen PPD in Abhängigkeit des vorausgesagten mittleren

Votums PMV [24].

In dieser Arbeit wird ein Bekleidungsgrad von 0.75 Clo und ein Aktivitätsgrad der Personen

von 1.2 Met angenommen. Der Bekleidungsgrad wird ab einem PMV Wert von -1 und/oder 1

über eine Proportionalsteuerung angepasst.


4.4.2 Temperatur

Für die Auswertung wird sowohl die mittlere Zonenraumlufttemperatur betrachtet, als auch die

empfundene Temperatur. Die empfundene Raumtemperatur, auch als operative

Raumtemperatur bezeichnet, wird für alle Zonen in der Mitte des Raumes berechnet. Diese

Temperatur wird auch von den Oberflächentemperaturen der umschliessenden Bauteile im

Raum entscheidend beeinflusst.

4.4.3 Betrieb Heizungsanlage

Verschiedene Kennwerte werden zur Beurteilung der Heizungsanlage genutzt. Nachfolgend

die Definition der einzelnen Kennwerte:

JAZwp = Gesamte thermische Energie ab WP dividiert durch den elektrischen Gesamtaufwand

ohne Heizkreispumpe

Qth,Heizung = Wärmeabgabe der WP an den Heizkreis

Wel,wp = elektrischer Gesamtaufwand der WP (Ventilator, Steuerung, Kompressor)

Wel,Heiz.Pumpe = elektrischer Gesamtaufwand der Heizkreispumpe

Wel,tot = elektrischer Gesamtaufwand des gesamten Heizungssystems (ohne Lüftung)


5 Resultate

5.1 Validierung

5.1.1 Gebäudemodell

Um das Gebäudemodell in IDA ICE zu validieren, wurde sowohl mit dem SIA TEC Tool, als

auch mit IDA ICE ein Energienachweis nach SIA380/1 [14] und eine Norm-Heizlastberechnung

nach SIA 384.201 [19] durchgeführt. Die Resultate sind in der Tabelle 5 zusammengefasst.

Aufgrund der fehlenden Möglichkeit, im TEC Tool, den Energiebedarf der einzelnen Zonen

nach SIA380/1 [14] zu ermitteln, wurde stattdessen der Energiebedarf nach SIA382/2 [26]

berechnet und mit den Resultaten von IDA ICE, welche nach SIA380/1 [14] ermittelt wurden,

verglichen. Die einzelnen Zonen weisen zwischen TEC Tool und IDA ICE für die Norm-

Heizleistung, aber auch für den Energiebedarf, grosse Unterschiede auf. Jedoch sind die

Unterschiede bezogen auf das gesamte Gebäude gering und können als Bestätigung

betrachtet werden, dass das Model in IDA ICE keine wesentlichen Mängel aufweist.

Tabelle 5: Vergleich von IDA ICE und SIA TEC Tool bezüglich der Heizwärmebedarf nach SIA380/1 und SIA382/2 als auch der Normheizlast nach SIA 384.201.

SIA TEC Tool IDA ICE

Zone Heizwärmebedarf

[kWh] (nach SIA382/2)

Norm-Heizlastb) [W/m2]

Heizwärmebedarf a) [kWh]

Norm-Heizlastb) [W/m2]

Entree 262 13 221.6 42.2

Treppenhaus 431 60 204.8 64.4

Zimmer 1 316 28 383.9 23.2

Küche/Wohnen 873 22 807.9 19.7

WC/DU 129 23 129.7 12.5

Vorplatz 41 11 0 32.6

Bad 802 23 857.5 25.1

Zimmer 4 307 26 627.3 27.0

Zimmer 3 429 31 504.7 32.2

Galerie 238 19 83.8 16

Zimmer 2 425 30 544.8 32.2

Total 4253 3.74 kW 4366 4.2 kW

SIA380/1 83.6 MJ/m2 80.4 MJ/m2

a) ohne Lüftung, Infiltration nach SIA380/1 (0.7 m3/hm2) b) mit Komfortlüftung


5.1.2 Wärmepumpe

Wegen mangelnder Erfahrung mit dem Wärmepumpenmodell in IDA ICE, wurde dieses auf

die Fähigkeit, die Drehzahl des Kompressors auf die benötigte Heizleistung zu regeln, geprüft.

Dazu wurde ein bewährtes und validiertes physikalisches Wärmepumpenmodell in TRNSYS

[27] eingesetzt. Dieses Modell (Type 877) [28] wurde im EU-Projekt MacSheep [29] mit einer

realen drehzahlgeregelten Wärmepumpe parametrisiert und validiert. Die Wärmeleistung und

Drehzahlregelung der real vermessenen Wärmepumpe entsprechen in etwa den

Einstellungen in dieser Arbeit. Abbildung 8 zeigt den Vergleich zwischen den Modellen

TRNSYS und IDA ICE bei gleichen Randbedingungen für den COP (Coefficient of

Performance) und die Kondensatorleistung. Dabei wurde für die verschiedenen

Betriebspunkte die Kompressordrehzahl von 30% bis 100% variiert (n=0.3 bis n=1). Im COP-

Diagramm wird ersichtlich, dass im IDA ICE-Modell die Enteisung nicht mitberücksichtigt wird,

da im Temperaturbereich von 0 - 5 °C keine Steigungsänderung zu sehen ist. Diese

Vereinfachung im Modell hat jedoch keinen Einfluss auf die Fragestellung in dieser Arbeit.

Wesentlich ist, dass die Kondensatorleistung über die Kompressordrehzahl variiert werden

kann, was in der Abbildung links klar ersichtlich ist. In Anhang B.3 sind weitere Ausführungen

zur Validierung des WP-Modells beschrieben.

Abbildung 8: Vergleich von Kondensatorleistung und COP bei unterschiedlichen Drehzahlen zwischen einem

TRNSYS und IDA ICE Wärmepumpenmodell.

5.2 Raumtemperatursollwert für alle Zonen gleich

Die Resultate im Kapitel 6.2.1 und 6.2.2 beschränken sich nur auf die Zonen mit der SIA

„Nutzung Wohnen EFH“. Die anderen Nutzungen werden nur aufgeführt, wenn sie für die

Studie relevante Ergebnisse hervorbringen.


5.2.1 Empfundene und mittlere Raumtemperatur

Die nachfolgenden Summenhäufigkeitsdiagramme zeigen für die einzelnen Zonen (Abbildung

9 bis 13) die empfundene Temperatur (T_Empfunden) und die mittlere Raumlufttemperatur

(T_Mittel). Zusätzlich wird unterschieden, ob die Zone mit Einzelraumregelung (Thermostat),

oder ohne Einzelraumregelung simuliert wurde (ohne Raumregelung). Die X-Achse zeigt die

Summenhäufigkeit in Stunden an und die Y-Achse die Temperatur in °C.

Generell ist festzustellen, dass die empfundene Temperatur und die mittlere

Raumlufttemperatur keine wesentlichen Unterschiede zueinander aufweisen. Wie im Kapitel

5.4.1 beschrieben wurde, ist bei der empfundenen Temperatur wesentlich, an welcher Stelle

diese gemessen wird. Einen wesentlichen Unterschied kann man zwischen den

Temperaturhäufigkeiten der Zonen mit Einzelraumregelung (blau) und ohne

Einzelraumregelung (gelb) feststellen. Im Vergleich mit Thermostatventilen, weisen die Zonen

ohne Einzelraumregelung zwischen 0.5 °C und 1.5 °C höhere Raumtemperaturen auf, und

dies für mehr als die Hälfte der Simulationszeit (>2200 h). Insbesondere die Zone

„Küche/Wohnen“ weist eine grosse Temperaturdifferenz zwischen den beiden Regelungsarten

auf.

Abbildung 9: Temperatur Summenhäufigkeit für die Zone: Zimmer 1.





Abbildung 13: Temperatur Summenhäufigkeit für die Zone: Küche/Wohnen.

5.2.2 Komfortanalyse nach Fanger

Die Auswertung des Komforts der einzelnen Zonen ist nachfolgend in fünf PMV-

Verteilungsdiagrammen dargestellt. Die X-Achse zeigt den PMV-Wert an. Dabei bedeutet ein

negativer Wert, dass die Bewohner die Raumtemperatur eher als kühl empfinden. Umgekehrt

bedeutet ein positiver Wert, dass die Raumtemperatur als eher warm empfunden wird. Die Y-

Achse zeigt die relative Häufigkeit des empfundenen Komforts.

Man kann erkennen, dass der Komfort nach Fanger über alle Zonen hinweg ohne

Einzelraumregelung besser eingehalten werden kann als mit Einsatz von Thermostatventilen.

Die Abweichung ist für das „Zimmer 1“ und für die Zone „Küche/Wohnen“ am grössten. Bei

diesen Zonen wird eine erhöhte Häufigkeit im negativen Bereich festgestellt, wenn

Thermostatventile eingesetzt werden.


Abbildung 14: PMV Verteilung für die Zone: Zimmer 1. Abbildung 15: PMV Verteilung für die Zone: Zimmer 2.

Abbildung 16: PMV Verteilung für die Zone: Zimmer 3. Abbildung 17: PMV Verteilung für die Zone: Zimmer 4.

Abbildung 18: PMV Verteilung für die Zone: Küche/Wohnen.


5.2.3 Gebäudetechnik

Die Auswertung der Resultate in diesem Kapitel richtet sich an die Definitionen aus dem

Kapitel 5.4.3. Nachfolgenden wird in Abbildung 19 bis Abbildung 23 die Vorlauftemperatur und

die Rücklauftemperatur (X-Achse) über die kumulierte Heizenergie (Y-Achse) dargestellt. Die

kumulierte Heizenergie wurde nur dann aufsummiert, wenn auch die Wärmepumpe im Betrieb

war. Dabei sind zwei Unterschiede sichtbar:

- Die Rücklauftemperatur ist generell bei allen Zonen höher ohne Einzelraumregelung

(gelb) als mit Einzelraumregelung (blau).

- Wie schon aus den Resultaten des Raumtemperatur- und Komfortvergleichs (Kapitel

6.2.1 und 6.2.2) hervorgeht, zeigen die beiden Zonen „Zimmer 1“ und „Küche/Wohnen“

die grössten Differenzen zwischen den beiden Regelungsvarianten. Dabei ist

anzumerken, dass beide Zonen sich im Erdgeschoss befinden.

Abbildung 19: Kumulierte Heizwärme für die Zone: Zimmer 1.





Abbildung 23: Kumulierte Heizwärme für die Zone: Küche/Wohnen.

Die durch die Fussbodenheizung abgegebene Wärme ist in Tabelle 6 für alle Zonen über die

gesamte Heizperiode aufgeführt. Im Unterschied zu den oben gezeigten Abbildungen weisen

die Summenwerte in der Tabelle 6 auch Energiemengen aus, die nicht während dem

Wärmepumpenbetrieb an den Raum abgegeben wurden. Dies kann der Fall sein, wenn

zwischen den Zonen ein Temperaturausgleich über die Fussbodenheizung entsteht.

In der Tabelle 6 ist erkennbar, dass in den Zonen des Erdgeschosses die Differenz zwischen

den beiden Regelungsarten mit einer Bandbreite von -23.5% bis 139% viel grösser ist, als in

den Zonen des Obergeschosses mit 10% bis 21%.

Im Gegensatz zu allen anderen Zonen weisen das Entree und der Vorplatz einen grösseren

Energiebedarf mit Thermostatventilen auf, als ohne Thermostatventile. Zu beachten ist, dass

beim Einsatz von Thermostatventilen diese beiden Zonen den Massenstrom nur um maximal

10% reduzieren können. Somit ist, wenn alle anderen Zonen ihren Durchfluss auf 0%

runterregeln, ein minimaler Massenstrom von 53 kg/h garantiert. Dies ist durch das WP-Modell

bedingt (siehe Kapitel 5.3.2).

Im Fall ohne Einzelraumregelung bewirkt der Wärmeentzug über die Fussbodenheizung

(negative Heizwärme) einen Austausch der Gesamtheizwärme zwischen den Zonen um

119 kWh (2% der Gesamtwärmeabgabe).


Tabelle 6: Wärmeabgabe der lokalen Heizelemente über die Heizperiode. In Klammer ist der Wärmeentzug über die Fussbodenheizung aufgeführt.

Zone

Mit Thermostat

[kWh]

Ohne Einzelraumregelung

[kWh]

Differenz

Entree (EG) 338.8 277.9 (-0.1) -18%

WC/DU (EG) 51.6 123.5 (-5.5) 139%

Küche/Wohnen (EG) 778.9 1596.2 (-48.6) 105%

Zimmer 1 (EG) 375.2 515.2 (-10.4) 37.3%

Vorplatz (EG) 219.0 167.5 (-0.2) -23.5%

Bad (OG) 551.3 615.2 (-2.6) 11.6%

Zimmer 4 (OG) 513.8 593.4 (-7.5) 15.5%

Galerie (OG) 375.5 454.2 (-1.6) 21%

Zimmer 2 (OG) 596.6 655.5 (-18.6) 10%

Zimmer 3 (OG) 568.5 642.7 (-23.5) 13%

Total 4369.2 5641.3 (-119) 29%

Abbildung 24 zeigt die Wärmepumpenlaufzeit für die beiden Regelungsvarianten in einem

Häufigkeitsdiagramm. Die Wärmepumpe weist bei den Simulationen mit Thermostatventilen

(blau) geringfügig häufiger Laufzeiten zwischen 30 Minuten und zwei Stunden, gegenüber der

Simulation ohne Thermostatventilen (gelb). Beide Simulationen zeigen bei über 60% der WP-

Betriebszeit eine Laufdauer von vier Stunden und mehr. Für eine sehr ähnliche

Heizungsanlage, wie in dieser Studie eingesetzt, jedoch mit konstanter Kompressordrehzahl

und Überströmventil, liegt die häufigste Laufdauer (>50%) zwischen 12 und 18 Minuten [6].

Grundsätzlich wird deutlich, dass die drehzahlgeregelte Wärmepumpe in beiden Fällen (mit

und ohne Thermostatventil) eine wesentlich bessere Laufzeitaufteilung hat, als eine

Wärmepumpe mit konstanter Kompressordrehzahl.


In Tabelle 7 sind die für die Gebäudetechnik relevanten Resultate zusammengefasst. Die

erhöhte Wärmeabgabe der Wärmepumpe an den Heizkreis (Qth,Heizung) für die Simulation ohne

Einzelraumreglung führt zu einem elektrischen Mehrverbrauch der WP von 27.1%. Dadurch

dass die Heizkreispumpe im Fall ohne Thermostatventile dauerhaft einen hohen Massenstrom

liefern muss, ist auch der Stromverbrauch (Wel,Heiz.Pumpe) um 206% höher als in der Simulation

mit Thermostatventilen. Insgesamt weist die Simulation ohne Einzelraumregelung einen

totalen elektrischen Mehrverbrauch von rund 29% auf.

Tabelle 7: Zusammenfassung der Kerngrössen für die Gesamtsimulation mit und ohne Einzelraumregelung.

Mit

Thermostat Ohne

Einzelraumregelung Einheit Differenz

JAZWP 2.68 2.71 - 1 %

Qth,Heizung 4299 5523 kWh 28.5%

Wel,WP 1606 2042 kWh 27.1 %

Wel,Heiz.Pumpe 20.1 61.4 kWh 206 %

Wel,Tot 1627 2103 kWh 29%

Anzahl Starts der WP 543 539 - -0.2 %

5.3 Reduzierter Raumtemperatursollwert einzelner Zonen

Bei den nachfolgenden Resultaten wurde in der Simulation davon ausgegangen, dass das

Haus nicht mehr von fünf Personen bewohnt wird, sondern nur noch von drei. Dies ist häufig

der Fall, wenn ein Teil der Kinder aus dem Haushalt auszieht. Der Temperatursollwert von

Zimmer 1 und 4 wurde von 21°C auf 16°C reduziert. Die Überlegung, genau diese Zimmer als

„nicht mehr genutzt“ anzusehen, ist durch die Annahme begründet, dass Personen lieber in

Abbildung 24:Häufigkeitsverteilung der Laufdauer der Wärmepumpe mit und ohne Einzelraumregelung.


Räumen sind, wo der Fensteranteil grösser ist, u.a. weil sie dann einen besseren Bezug zur

Aussenwelt haben. Die Zimmertüren werden als „immer geschlossen“ angenommen, und alle

internen Lasten wurden für diese Zimmer entfernt. Die Lüftungsparameter wurden nicht

angepasst, da von der Annahme ausgegangen wurde, dass der Hausbesitzer nicht technisch

versiert ist und der Luftvolumenstrom ohne den Eingriff eines Fachmannes nicht ohne weiteres

angepasst werden kann.

5.3.1 Energiebilanz

Die Simulationsresultate für den Fall, dass zwei Räume auf Grund einer reduzierten Belegung

des Hauses einen reduzierten Temperatursollwert aufweisen, sind in der Tabelle 8

zusammengefasst. Der Vergleich des elektrischen Verbrauches (Wel,tot) zwischen dem Fünf-

Personenhaushalt (1627 kWh) und dem Drei-Personenhaushalt (1632 kWh), weist für die

Simulation mit Thermostatventilen einen vernachlässigbaren Unterschied auf. Der gleiche

Vergleich für die Simulation ohne Einzelraumregelung zwischen dem Fünf-Personenhaushalt

(2103 kWh) und dem Drei-Personenhaushalt (2247 kWh) weist für letzteren einen

Mehrverbrauch von 144 kWh (+6.8%) auf.

Tabelle 8: Zusammenfassung der wesentlichen Resultate für den Vergleich zwischen reduzierter Belegung und voller Belegung des Gebäudes mit und ohne Thermostatventile eingebaut.

Mit Thermostat

5 Personen


5 Personen

Mit Thermostat

3 Personen


3 Personen

JAZWP , [-] 2.68 2.71 (+1%) 2.68 2.72 (+1.6%)

Qth,Heizung , [kWh] 4299 5523 (+28.5%) 4324 5952 (+37.7%)

Wel,WP , [kWh] 1606 2042 (+27.1%) 1614 2186 (+35.5%)

Wel,Tot , [kWh] 1627 2103 (+29%) 1632 2247 (+37.7%)

Starts der WP 543 539 (-0.2%) 556 563 (+1.3%)

Abbildung 25 zeigt die Energiebilanz für die Zone „Zimmer 4“ links mit Thermostatventil und

rechts ohne Thermostatventil. In beiden Fällen ist keine Nutzung der Zonen simuliert. Die

Wärmeabgabe des lokalen Heizelementes nimmt deutlich ab im Fall mit Thermostatventil.

Weiter fällt auf, dass im Vergleich zu „ohne Thermostatventil“ die Wärmezufuhr durch

„Innenwände und Massen“ einen wesentlichen Teil der Wärmezufuhr ausmacht. Dies kann als

„Wärmeklau“ aus anderen Zonen betrachtet werden. Abbildung 26 zeigt die Energiebilanz für

die Zone „Galerie“, welche thermisch mit dem Zimmer 4 verbunden ist. Hier zeigt sich, dass


die Wärmeabgabe „Lokales Heizelement“ und die Wärmeverluste durch „Infiltration &

Öffnungen“ deutlich ansteigen im Fall „mit Thermostatventil“ gegenüber der Simulation ohne

Thermostatventil.

Abbildung 25: Vergleich der Energiebilanz für die Zone Zimmer 4 mit und ohne Raumsolltemperaturabsenkung.

Abbildung 26: Vergleich der Energiebilanz für die Zone Galerie mit und ohne Raumsolltemperaturabsenkung.

5.4 Zusätzliche Untersuchungen

Im Nachfolgenden werden Resultate präsentiert, welche aus Simulationen mit veränderten

Einstellungen des P-Reglers (Thermostatventil) hervorgehen. Die Solltemperatureinstellung

beim P-Regler wurde bei gleichbleibendem Proportionalband von 2 K von 21 °C auf 22 °C

geändert. Die Abbildung 27 bis Abbildung 30 zeigen den Vergleich zwischen den beiden

Solltemperatureinstellungen des P-Reglers und der Simulation ohne Einzelraumregelung.

Man kann erkennen, dass durch die Erhöhung der Raumtemperatur auch der Komfort für

beide Zonen besser eingehalten werden kann. Tabelle 9 fasst die Ergebnisse zur

Heizungsanlage zusammen. Die Simulation mit Thermostatventilen weist, verglichen mit der

Simulation ohne Einzelraumregelung, einen um 11% reduzierten elektrischen

Gesamtenergieverbrauch auf.


Abbildung 27: PMV Verteilung für die Zone: „Küche/Wohnen“ mit unterschiedlichen Solltemperaturwerten.

Abbildung 28: PMV Verteilung für die Zone: „Zimmer 1“ mit unterschiedlichen Solltemperaturwerten.

Abbildung 29: Summenhäufigkeit der empfundenen Temperatur für die Zone: Küche/Wohnen.

Abbildung 30: Summenhäufigkeit der empfundenen Temperatur für die Zone: Zimmer 1.

Tabelle 9: Zusammenfassung der Kerngrössen für die Gesamtsimulation mit und ohne Einzelraumregelung, bei angepasster Solltemperatur des P-Reglers.

Mit Thermostat

(Tset = 22 °C)


Einheit Differenz

JAZWP 2.7 2.7 - 0 %

Qth,Heizung 5017 5523 kWh 10 %

Wel,WP 1861 2042 kWh 9.7 %

Wel,Heiz.Pumpe 31.4 64.1 kWh 95.5 %

Wel,Tot 1893 2103 kWh 11 %


Untersuchungen zum Einfluss des Bodenaufbaus auf die Ergebnisse von Kapitel 6.2 sind im Anhang C beschrieben.


6 Diskussion

Raumtemperatursollwert für alle Zonen gleich

Die Resultate zur ersten Fragenstellung (alle Zonen gleiche Temperatur) bestätigen die

Vermutung, dass mit den heute üblich installierten Heizungsanlagen auch bei tiefen

Vorlauftemperaturen dank dem Einsatz von Thermostatventilen eine elektrische

Energieeinsparung erzielt werden kann. Diese Aussage beschränkt sich im Moment auf

Gebäude mit hohem Glasanteil.

Mit Einzelraumreglung in einem EFH kann der Stromverbrauch der Heizungsanlage um bis zu

29% reduziert werden im Vergleich zur Variante ohne Regelung. Die Komfortanalyse zeigt

jedoch, dass der PMV bei einer Solltemperatur von 21°C wenige Stunden (


„Wärmeklau“ entsteht zwischen den kühleren und wärmeren Zonen. Weiter zeigen die

Resultate, dass der hohe Luftvolumenstrom in den nicht genutzten Zimmern nachteilig

bezüglich den möglichen Energieeinsparungen ist, dies führt nämlich zu einem höheren

Wärmebedarf in den Überströmzonen (z.B. „Galerie“). Durch eine Reduktion des

Luftvolumenstromes in den nichtgenutzten Zonen wären höhere elektrische Einsparungen der

Heizung zu erwarten. Es ist naheliegend, dass ein elektrischer Mehrverbrauch entsteht, wenn

keine Thermostatventile eingesetzt werden und einzelne Zonen nicht genutzt werden. Weil

keine internen Lasten vorhanden sind steigt auch der Wärmebedarf. Die internen Lasten

haben gerade bei Gebäuden mit tiefem Heizwärmebedarf einen wichtigen Anteil an der

Beheizung der Räume. In dieser Arbeit wurde bei den Zonen ohne Nutzung die

Verschattungssteuerung nicht angepasst. Bei einer Annahme, dass die Verschattung in diesen

Zonen nicht aktiv ist, liegt die Vermutung nahe, dass die elektrischen Einsparungen beim

Einsatz von Thermostatventilen mit einer reduzierten Solltemperatur tiefer ausfallen.

Drehzahlgeregelte Wärmepumpe

Die in der STASCH-Studie beschriebene Störanfälligkeit der Wärmepumpe bei Gebäuden,

welche mit 100% Thermostatventilanteil ausgerüstet sind, können durch die drehzahlgeregelte

Wärmepumpe und die Durchflussmessung entkräftet werden. Die Ein-/Ausschaltzyklen

können auf einen Wert, der nur um 8.2% (Tabelle 10) höher ist als bei einem System, das gar

keine Thermostatventile in den Zonen aufweist, massiv reduziert werden. In der STASCH-

Studie zeigt sich für eine Ein/Aus-Wärmepumpe eine Erhöhung der Schalzyklen von mehr als

360% beim Vergleich von Simulationen mit und ohne Thermostatventilen. Kritisch kann die in

dieser Studie eingesetzte Durchflussmessung im Primärkreis der WP (Senke) betrachtet

werden. Wie sich aus persönlichen Gesprächen mit Wärmepumpenherstellern abzeichnet,

darf man davon ausgehen, dass eine Durchflussmessung in Zukunft vermehrt eingesetzt wird.

Ein Wärmepumpensystem ohne Speicher, welches eine Durchflussmessung integriert hat, ist

nämlich viel weniger anfällig auf Planungsfehler, da die Wärmepumpe unabhängig davon, ob

Thermostatventile vorhanden sind oder nicht, ein optimales Regelverhalten aufweist. Damit

kann auch gewährleistet werden, dass die Wärmepumpe wegen zu tiefem Massenstrom nicht

in Störung geht. Weiter müssen auch keine Überströmventile mehr eingesetzt werden, welche

einen minimalen Massenstrom garantieren würden.


Weiterführende Untersuchungen

Weiterführende Untersuchungen, bei denen einige Randbedingungen nicht nach Norm

simuliert werden, wären interessant. Ein Beispiel dazu kann die Einstellung der Heizkurve sein.

Diese wurde für diese Simulation optimal eingestellt. In der Realität wäre sie aber wohl eher

höher eingestellt und somit wären grössere Energieeinsparungen wahrscheinlich. Eine weitere

Einstellung die im Feld mangelhaft vorgenommen wird, ist die Heizgrenze. Dieser Effekt

müsste durch eine Jahressimulation abgeklärt werden.

Schlussfolgerung

Mit drehzahlgeregelten Wärmepumpen, welche zusätzlich eine Durchflussmessung

aufweisen, kann eine Hydraulik ohne Speicher, ohne Überströmventil und mit 100%

Einzelraumregelung umgesetzt werden. Weiter zeigt sich, dass mit Thermostatventilen auch

bei tiefen Vorlauftemperaturen von maximal 30°C bei Auslegung deutliche

Energieeinsparungen erzielt werden können gegenüber der Variante ohne Regelung. Dank

dem Einsatz von Thermostatventilen und der Temperaturabsenkung in einzelnen Räumen

kann unter Berücksichtigung der Annahmen, die in dieser Masterarbeit getroffen wurden, eine

weitere Effizienzsteigerung für Einfamilienhäuser erzielt werden.


7 Dank

An dieser Stelle möchte ich mich bei all denjenigen bedanken, die mich während der

Anfertigung dieser Masterarbeit unterstützt und motiviert haben.

Mein Dank gebührt Herr Prof. Gerhard Zweifel, der mich bezüglich Fragen zu IDA ICE

unterstützt hat und mir die Möglichkeit gegeben hat diese Arbeit zu schreiben.

Ebenfalls möchte ich mich bei Dr. Michel Haller bedanken, welcher mir als Experte mit

hilfreichen Anregungen und konstruktiver Kritik bei der Erstellung dieser Arbeit zur Seite

gestanden ist.

Weiter möchte ich mich bei Prof. Carsten Wemhömer (IET, HSR) für das interessante

Gespräch bezüglich der STASCH Studie zu Beginn der Masterarbeit bedanken.

Ich möchte mich auch bei Frau Monika Mutti-Schaltegger vom Architekturbüro Schaltegger

aus Mosnang bedanken, welche mir die Pläne zur Modellierung des Einfamilienhauses zur

Verfügung gestellt hat.

Ein besonderer Dank geht an meine Freundin, welche Verständnis dafür hatte, dass ich viele

Wochenenden mit meiner Arbeit beschäftigt war.


8 Literaturverzeichnis

[1] Perch-Nielsen, S. Müller, M., Zumwald, J., Krüger, M., 2015. Preise von Luft/Wasser Wärmepumpen – Analyse der Preise von Luft/Wasser Wärmepumpen und der Qualität ihrer Installation. EnergieSchweiz, 16. Dezember 2016.

[2] Kirchner Almut, et al., (2012). Die Energieperspektiven für die Schweiz bis 2050 – Energienachfrage und Elektrizitätsangebot in der Schweiz 2000 - 2050. Bundesamt für Energie BFE, 12. September 2012.

[3] Mustervorschriften der Kantone im Energiebereich (MuKEn) 2014. Konferenz Kantonaler Energiedirektoren (EnDK), 9. Januar 2015.

[4] SIA 384/1:2009: Heizungsanlagen in Gebäuden – Grundlagen und Anforderungen. Schweizer Ingenieur- und Architektenverein, 2009.

[5] Erb, M., Hubacher, P., Ehrbar, M., 2004. Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA 1996 – 2003. Bundesamt für Energie, BFE – Schlussbericht, April 2004.

[6] Afjei Thomas, et al., 2002. Standardschaltungen für Kleinwärmepumpenanlagen – Teil 2: Grundlagen und Computersimulationen. Bundesamt für Energie, BFE – Schlussbericht, Dezember 2002.

[7] Haller Y. Michel, et al., 2014. Solar and Heat Pump Systems – Summary of simulation results of the IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38. 11th IEA Heat Pump Conference 2014, 12 – 16 Mai 2014, Montréal, Kanada.

[8] Schnieders Jürgen, (2005). Dynamisches Verhalten und Wärmeübergabeverluste von Flächenheizungen. Passiv Haus Institut. Endbericht, Februar 2005.

[9] EQUA Simulation AB, IDA Indoor Climate and Energy – Expert edition, 1995 – 2016, Stockholm, Schweden.

[10] SIA, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein. SIA-TEC-Tool (Total Energy Calculator), Version 2.5.7. www.energytools.ch, 2016. Schweiz.

[11] SIA Merkblatt 2028: Klimadaten für Bauphysik, Energie- und Gebäudetechnik. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2010.

[12] Architektur Schaltegger, Pläne zum Neubau Hittnau. Oktober 2010. Mosnang, Schweiz.

[13] SIA Merkblatt 2024: Standard-Nutzungsbedingungen für die Energie- und Gebäudetechnik. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2006.

[14] SIA 380/1:2009: Thermische Energie im Hochbau. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2009.

[15] Verein MINERGIE (AMI). Reglement zur Nutzung der Qualitätsmarke MINERGIE. Januar 2014.

[16] Frank Thomas, 2011. Anforderungen an behördentaugliche dynamische Simulationsprogramme – Problemanalyse und exemplarischer Lösungsvorschlag. BFE Schlussbericht, Juni 2011.

[17] Gabathuler, H.R., et al., 2002. Standardschaltungen für Kleinwärmepumpenanlagen – Teil 1: STASCH-Planungshilfen. Bundesamt für Energie, BFE – Schlussbericht, Dezember 2002.

[18] Eschmann Mick, 2015. Qualitätsüberwachung von Kleinwärmepumpen und statistische Auswertung 2015. Bundesamt für Energie, BFE – Jahresbericht, Dezember 2015.

http://www.energytools.ch/


[19] SIA 384.201: Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2003.

[20] SIA 180: Wärmeschutz, Feuchteschutz und Raumklima in Gebäuden. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2014.

[21] SIA Merkblatt 2023: Lüftung in Wohnbauten. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2008.

[22] EnergieSchweiz. Dimensionierungshilfe Komfortlüftung. Bundesamt für Energie BFE. Download 04.05.2016.

[23] prEN 15377-1: Heating systems in buildings – Design of embedded water based surface heating and cooling systems – Part 1: Determination of the design heating and cooling capacity. Brüssel, 2005.

[24] Manz Heinrich, 2014. Bauphysik II – Aussenklima, Thermischer Komfort, Wärme, Luftaustausch, Energie. Hochschule Luzern – Technik & Architektur, August 2014.

[25] EN ISO 7730: Ergonomie der thermischen Umgebung. Europäisches Komitee für Normung. Brüssel, 2005.

[26] SIA 382/2: Klimatisierte Gebäude – Leistungs- und Energiebedarf. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 2010.

[27] Thermal Energy System Specialists, LLC. TRNSYS – Transient System Simulation Tool. Wisconsin, USA.

[28] Heinz, A. & Haller, M., 2012. Appendix A3 – Description of TRNSYS Type 877 by IWT and SPF. In: Models of Sub-Compnents and Validation of the IEA SHC Task44 / HPP Annex 38 – Part C: Heat Pump Models – DRAFT – A technical report of subtask C Deliverable C2.1 Part C.

[29] MacSheep: New Materials and Control for a next generation of compact combined Solar and heat pump systems with boosted energetic and exergetic performance. EU project FP7 no. 282825, from January 2012 to December 2015, macsheep.spf.ch.


Anhang A Gebäudemodellierung

A.1 Bilder aus IDA ICE vom modellierten Gebäude

Abbildung 31: Südfassade Abbildung 32: Westfassade

Abbildung 33: Nordfassade Abbildung 34: Ostfassade

Abbildung 35: 3D-Ansicht, Süd-Ost-Fassade


A.2 Aufbau der Gebäudehülle

Tabelle 10: Konstruktion Holzständer Aussenwand

Bezeichnung Dicke Dichte Lambda Cp R-Wert

m kg/m3 W/mK kJ/kgK m2K/W

Gips 0.025 1150 0.32 1 0.08

Luft 0.03 1.2 0.16 1.006 0.19

OSB-Platte 0.015 600 0.13 1.7 0.12

Mineralwolle 0.18 70 0.044 1.1 4.09

Holzfaserplatte 0.015 250 0.07 1.7 0.21

Hinterlüftung 0.04 1.2 0.16 1.006 0.25

Holzschalung 0.02 500 0.13 1.6 0.15

U-Wert 0.18 W/m2K

Tabelle 11: Konstruktion Holzständer Innenwand



Verputz 0.01 1400 0.7 0.9 0.01

Gipsfaserplatte 0.025 1100 0.32 0.94 0.08

Dämmeinlagen 0.1 60 0.06 1.1 1.67

Verputz 0.01 1400 0.7 0.9 0.01

U-Wert 0.47 W/m2K

Tabelle 12: Konstruktion Betonboden gegen unbeheizt



Parkett 0.013 750 0.18 1.6 0.07

Unterlagsboden 0.08 1500 1.5 1 0.05

Trittschallisolation 0.03 80 0.032 1.03 0.94

Beton armiert 2% Stahl 0.2 2300 2.3 1 0.09

Wärmedämmung 0.14 85 0.038 1.03 3.68

U-Wert 0.2 W/m2K


Tabelle 13: Konstruktion Zwischendecke



Parkett 0.013 750 0.18 1.6 0.07

Unterlagsboden 0.06 1500 1.5 1 0.04

Trittschallisolation 0.022 135 0.038 1.7 0.58

Holzschalung 0.022 500 0.13 1.6 0.17

Holzbalkenlage 0.2 80 0.06 1.1 3.33

Luftspalt 0.04 1.2 0.25 1.006 0.16

Gips 0.01 1150 0.32 1 0.03

U-Wert 0.22 W/m2K

Tabelle 14: Konstruktion Schrägdach



Dachziegel Ton 0.01 1500 0.58 0.84 0.03

Holzfaserplatte + MDF

0.006 250 0.07 1.7 0.09

Steinwolle 0.24 60 0.055 1.03 4.36

Holz 0.013 500 0.14 2.3 0.09

U-Wert 0.21 W/m2K


A.3 Einstellung der Wärmebrücken (IDA ICE)


A.4 Standard-Nutzungsbedingungen

Die nummerische Bezeichnung in IDA ICE und in der Norm sind nicht ganz identisch, deshalb

werden in Tabelle 15 beide Bezeichnungen separat aufgeführt.

Tabelle 15: Standard-Nutzungsbedingungen der einzelnen Zonen nach SIA2024.

nach IDA ICE nach SIA2024

Entree 12.1 Verkehrsfläche 12.1 Verkehrsfläche

Treppenhaus 12.1 Verkehrsfläche 12.1 Verkehrsfläche

Zimmer 1 1.2 Wohnen EFH 1.1 Wohnen EFH

Küche/Wohnen 1.2 Wohnen EFH 1.1 Wohnen EFH

WC/DU 12.6 WC, Bad,

Dusche 12.3 WC, Bad, Dusche

Vorplatz 12.1 Verkehrsfläche 12.1 Verkehrsfläche

Bad 12.6 WC, Bad,

Dusche 12.3 WC, Bad, Dusche



Galerie 12.1 Verkehrsfläche 12.1 Verkehrsfläche



Anhang B Gebäudetechnik

B.1 Wärmepumpen Einstellungen IDA ICE

Abbildung 36: Links: Auslegungseinstellungen der WP, Rechts: Die wichtigsten Parametereinstellungen der WP.


B.2 Einstellungen Fussbodenheizung

Abbildung 37: Links: Einstellungen der Fussbodenheizung für die Zone Küche/Wohnen (EG), Rechts:

Einstellungen der Fussbodenheizung für die Zone Zimmer 4 (OG).

B.3 Wärmepumpe Validierung

Abbildung 38 zeigt die Abhängigkeit des COP von der Aussentemperatur und der

Kompressordrehzahl. Diese Resultate stammen aus der IDA ICE Simulation mit

Thermostatventilen und einer Raumsolltemperatur von 21 °C.

Abbildung 38: COP Abhängigkeit von Drehzahl und Aussenlufttemperatur, für die Simulation mit

Thermostatventilen und einer Raumsolltemperatur von 21°C.


Abbildung 39 zeigt die Kondensatorleistung in Abhängigkeit von Aussenlufttemperatur und

Kompressordrehzahl.

Abbildung 39: Kondensatorleistung Abhängigkeit von Drehzahl und Aussenlufttemperatur, für die Simulation mit

Thermostatventilen und einer Raumsolltemperatur von 21°C.

Es zeigt sich, dass der COP keine grosse Streuung aufweist. Man kann davon ausgehen, dass

die Drehzahlregelung in diesem Fall etwas unterschätzt wird. Im Gegensatz dazu zeigt die

Kondensatorleistung eine deutliche Abhängigkeit von der Drehzahl. Die in Abbildung 39

gezeigte klare Abhängigkeit der Kondensatorleistung von der Drehzahl und dass die

Kompressordrehzahl nur bei kalten Aussentemperaturen bei 100% (n=1) läuft, ist ein Indiz,

dass die PI-Regelung des Kompressors gut funktioniert.


Anhang C Weitere Untersuchungen und Resultate

C.1 Untersuchung Bodenaufbau

Wie die Auswertung der Resultate im Kapitel 6.2.3 zeigt, haben die Zonen im EG grössere

Abweichungen zwischen den Simulationen mit Thermostatventil und ohne

Einzelraumregelung, als die Zonen im OG. Eine erste Vermutung war, dass der Bodenaufbau

eine Rolle spielen könnte, da der Estrich im EG 2 cm höher ist als im OG und somit eine

grössere thermische Masse aufweist. Um dies abzuklären wurde die Estrichhöhe im EG um

2 cm reduziert und die Simulationen aus Kapitel 6.4 (erhöhte Raumsolltemperatur) mit der

genannten Anpassung wiederholt. Die Resultate sind in Tabelle 16 zusammengefasst. Der

Vergleich der Differenz des elektrischen Gesamtenergieverbrauchs (Wel,tot) aus Tabelle 16

(11.5%) und der Tabelle 9 aus dem Kapitel 6.4 (11%) zeigt, dass der unterschiedliche

Bodenaufbau kaum eine Rolle spielt. Die Abbildung 40 bestätigt diese Aussage spezifisch für

die Zone „Küche/Wohnen“.

Tabelle 16: Zusammenfassung der Kerngrössen der Simulation mit angepasstem Estrich im EG und angepasster Raumsolltemperatur.

Mit

Thermostat Ohne

Einzelraumregelung Einheit Differenz

JAZWP 2.69 2.71 - 0.5 %

Qth,Heizung 5031 5562 kWh 10.6 %

Wel,WP 1868 2055 kWh 10.0 %

Wel,Heiz.Pumpe 31 61.4 kWh 98 %

Wel,Tot 1899 2117 kWh 11.5 %


Abbildung 40: Kumulierte Heizwärme für die Zone: Küche/Wohnen. Simulation mit angepasstem Estrich.

Einfluss von raumbasierten Regelungen auf den … · 2017. 11. 29. · Masterarbeit Igor Mojic 3/41...

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