Was ist thermodynamisch optimiertes Heizen?

Um die energetische Effizienz eines Gebäudes zu erhöhen, kann man es einerseits so gestalten, dass es möglichst wenig Energie bedarf, um es zu erwärmen. Dies erreicht man mit einem ganzheitlichen Energiesparkonzept, das insbesondere die Wärmedämmung in den Mittelpunkt der Optimierungsmaßnahmen stellt, um Wärmeverlusten an die Umgebung entgegen zu wirken. Andererseits sollte man aber auch die Energieverluste gering halten, die in der Heizungsanlage geschehen. Thermodynamisch optimiertes Heizen ist die Devise.

Thermodynamisch optimiertes Heizen  – drei Schritte zu mehr Heizwärme

Legt man der Bewertung von Systemen zur Wärmeversorgung den sogenannten Energieerhaltungssatz zugrunde, und zwar nur diesen, dann käme man unter Umständen zu dem Schluss, dass moderne Heizkessel eine physikalische Glanzleistung seien, denn ihre Wirkungsgrade sind meist höher als 90 Prozent. Betrachtet man den Heizkessel jedoch nicht nur rein energetisch, sondern auch dessen Umgang mit der Exergie des Brennstoffs – und bezieht somit den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in die Betrachtung mit ein – fällt die physikalische Leistung nicht mehr ganz so glänzend aus. Denn wie ich gleich zeigen werde, kann der Heizkessel bei Weitem nicht die Exergie nutzen, die der Brennstoff zur Verfügung stellt.

Um ein Heizsystem thermodynamisch zu optimieren, geht man laut RP-Energie-Lexikon drei Schritte:

1. Heizwärmebedarf minimieren
2. Vorlauftemperatur verringern
3. Wärmeerzeugung optimieren

Um den Heizwärmebedarf eines Gebäudes zu minimieren, muss man zunächst dafür sorgen, dass keine Wärmeverluste auftreten, weil Wärme vom warmen Gebäude nach außen geleitet wird. Das erreicht man mit Dämmmaßnahmen, optimalem Lüften und möglicherweise dem Einsatz einer Lüftungsanlage, die Wärme rückgewinnen kann. Auch die natürliche Sonnenwärme kann in das Konzept als wichtige Größe einbezogen werden.

Die Vorlauftemperatur der Heizung sollte deshalb möglichst gering gehalten werden, weil man damit auch den Exergie-Anteil des Heizwärmebedarfs gering hält. Niedertemperaturheizungsanlagen tun dazu ihr Bestes.

Als dritter Schritt ist die Optimierung der Wärmeerzeugung angesagt. Es gilt, den Exergiegehalt des primären Energieträgers (Brennstoffe wie Erdgas und Kohle oder Wasser oder Sonnenlicht) ebenso gut zu nutzen wie seinen Energiegehalt.

Wie viel Exergie vom Brennstoff kommt im Haus an?

Eine Frage, der sich ein Fachaufsatz widmet, den ich zu ihrer Beantwortung gerne heranziehe. Hier findet Ihr ihn in aller Ausführlichkeit.

Das Beispiel des Autors A. Gassel lautet: Ein Haus hat einen Heizwärmebedarf von 10 MWh/a. Warmwasserbedarf liegt nicht vor. Die Temperatur der Räume liegt bei 20, die draußen während der Heizperiode im Mittel bei 5 Grad Celsius. Gassel vergleicht dann eine ideale Versorgung des Hauses gemäß dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik (in Kurzform: Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant.) mit einer, die genau dem 2. Hauptsatz (in Kurzform: Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar.) entspricht.

Versorgungsvariante nach dem 1. Hauptsatz:

Man braucht so viel Brennstoff, dass die darin enthaltene chemische Energie den Heizwärmebedarf von 10 MWh Wärme deckt. Die chemische Energie sei, so der Autor, mit einer sehr hohen Exergie verbunden, etwa 90 Prozent. Demzufolge müssten 9 MWh Exergie zugeführt werden. Die Energie, die das Haus wirklich benötige, errechne sich demnach für die isotherme Wärmezufuhr nach der Gleichung:

E=Q (TRaum-TAußen/TRaum)

Das Ergebnis: 512 kWh/a. Der Berechnung zufolge sind nur 5,7 Prozent der im Brennstoff enthaltenen Exergie im Haus angekommen.

Versorgungsvariante nach dem 2. Hauptsatz:

Nutzte man die Brennstoffexergie, um der Umgebung Wärme zu entziehen (angenommen: eine ideal funktionierende Sorptionswärmepumpe sei im Einsatz) sähe das Ganze so aus: Die 512 kWh/a Exergie, die benötigt würden, steckten bereits in einer Brennstoffmenge von 569 kWh/a. Die restlichen 9,43 MWh/a entzöge man der Umgebung.

Das hieße: Man bräuchte nur ein Fünfzehntel (!) des Brennstoffs der ersten Variante.

Das klingt nach einer gewaltigen Einsparung an Energie. Doch der Autor A. Gassel schränkt das Einsparpotential gleich ein: Da die Exergie eines Brennstoffs nur sehr unvollständig gewonnen werden könnte, weil die dazu nötigen in der Regel “hohen Prozesstemperaturen materialmäßig nicht beherrscht“ und „innere Verluste“ auftreten würden. Sein Fazit: “Zumeist liegt das praktische Einsparpotential, also das Verhältnis von Nutzwärme und Brennstoffwärmezufuhr nicht über 2, im Gegensatz zum Faktor 15 des theoretischen Grenzfalls.”

Foto: Ahkka / photocase.de