Heizlast realitätsnah ermitteln

In seinem Artikel Grad genau berechnet im GEB 01-2026 [1] geht Albert Walch auf die Frage ein, wie man die Gebäudeheizlast im Bestand bestimmt. Er führte anschaulich mit Rechenbeispielen verschiedene Verfahren aus der DIN/TS 12831-1 [2] vor. Anhand eines konkreten Projekts verglich er die Ergebnisse dieser Schätzung mit dem Ergebnis des Hüllflächenverfahrens nach DIN EN 12831-1 [3] und kam zu dem Schluss: „Das Nutzerverhalten ist offensichtlich nicht die Ursache für die oft beklagten Unterschiede zwischen den Heizlastberechnungen.“ Im Fazit schreibt er: „Die damit (mit dem Heizgradtagszahl-Verfahren) ermittelte Heizlast ist vergleichbar der Heizlast aus dem Hüllflächenverfahren der DIN 12831.“

Der Aussage halte ich entgegen: Die Erfahrung hat gezeigt, dass Abweichungen in der Größenordnung von 40 Prozent zum Rechenergebnis der DIN EN 12831-1 möglich sind. Im Internet kursiert die Empfehlung, die Auslegung nur auf 70 Prozent der errechneten Heizlast zu legen. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass die aus den zeitlich gemittelten Verbrauchsdaten ermittelte Heizlast mit der maximalen Heizlast nach dem Hüllflächenverfahren der DIN EN 12831-1 übereinstimmt, da einerseits das Nutzerverhalten unterschiedlich ist und andererseits auch die Berechnungsannahmen in der DIN teilweise unrealistisch beziehungsweise veraltet sind.

Zunächst ist zu begrüßen, dass Walch die Schätzung der Gebäudeheizlast aus den Verbrauchsdaten für den Heizungstausch anhand eines Beispiels darstellt und diese Thematik in der Weiterbildung zum Energieeffizienz-Experten vermittelt. Denn das Thema erhält durch die zunehmende Installation von Wärmepumpen eine besondere Bedeutung.

Für Wärmepumpen mit einer festen Drehzahl sollten die Start-Stopp-Zyklen (Taktungen) möglichst gering gehalten werden, um die Lebensdauer des Kompressors zu verlängern. Je überdimensionierter eine Wärmepumpe ist, desto häufiger taktet sie in der Folge. Es ist aber nicht nur eine Überdimensionierung zu vermeiden. Sondern es sollte auch eine untere Abschätzung der Wärmeleistung geben, um den Bereich einer kontinuierlichen Regelung für die Auswahl einer geeigneten Inverter-Wärmepumpe festzulegen.

Kritische Anmerkungen zu einigen Parametern des Hüllflächenverfahrens sollen die zunehmende Divergenz zur tatsächlichen Heizlast verdeutlichen.

Auslegungsaußentemperatur

Die Auslegungsaußentemperatur in der DIN/TS 12831-1 ist zu niedrig angesetzt. Diese kältesten Zweitagesmittelwerte hat der Deutsche Wetterdienst für den Betrachtungszeitraum 1995 bis 2012 anhand der aktuellen Daten für das Testreferenzjahr (TRY) in einem Raster von einem Quadratkilometer ermittelt.

Für Oranienburg mit der PLZ 16515 gibt die Klimadatentabelle einen Wert von -12,7 Grad Celsius an. Eine eigene Auswertung des Testreferenzjahrs 2015-extremer Winter ergab -11,8 Grad Celsius und für das Zukunfts-TRY 2045-extremer Winter -6,9 Grad Celsius (Abb. 1). Der Wert von -12,7 Grad Celsius liegt sogar noch unter dem Wert von -11,5 Grad Celsius aus dem alten Klimazonen-Testreferenzjahren für die TRY-Region 4, in der auch Oranienburg liegt. Die Erfahrung der vergangenen Winter zeigt im Tagesmittel jedoch eine deutlich höhere Außentemperatur.

Auch der neue Entwurf zur DIN EN 15450:2026-02 [5] geht von einer in den vergangenen Jahren erhöhten Außenlufttemperatur gemäß der Photovoltaic-Geographical-Information-System-Datenbank der Europäischen Kommission für die mittlere/gemäßigte und die kalte Klimazone aus (Abb. 2). Tabelle I.2 der Norm gibt Tagesmitteltemperaturen zur Berechnung der Heizlast nach dem Hüllflächenverfahren in Abhängigkeit von der Zeitkonstante des Gebäudes an. Basis ist die Auswertung von Wetterdaten aus den Jahren 2005 bis 2023. Die Zuordnung der Zeitkonstante τ zu einem Tagesmittelwert erfolgt in Tabelle B.6. Darin wird für den Bereich 20 h < τ < 90 h der 2-Tagesmittelwert zugeordnet.

Bei τ = 90 h (3,75 Tage) sollte jedoch mindestens ein 3-Tagesmittelwert zugeordnet werden. Die Auswahl eines Tagesmittelwertes für die stationäre Heizlastberechnung in Abhängigkeit der Bauschwere habe ich bereits in [4] durch den Vergleich mit instationären Simulationsergebnissen bestätigt. Darin habe ich aber festgestellt, dass mit einem zunehmenden Strahlungsanteil der Heizflächen eine geringere Tagesanzahl für die Tagesmittelmittelwertbildung genommen werden sollte, was zu einer höheren Heizlast führt.

In der Kühllastberechnung nach VDI 2078 wird der Strahlungsanteil bei der Nutzenübergabe schon lange berücksichtigt. Der Normenausschuss für die Heizlastberechnung hat jedoch festgelegt, dass die Heizlast eine reine Gebäudeeigenschaft ist. Auch in den Meteonorm-Daten spiegelt sich eine Erhöhung der Außenlufttemperatur wider, wenn die Klimaerwärmung –bemaßt durch den RCP-Wert –wie bisher fortschreitet.

Möchte man weiterhin die Heizlastberechnung basierend auf TRY-Daten vornehmen, empfehle ich das Testreferenzjahr 2045, da ein wesentlicher Teil des neuen Heizbetriebes im zugehörigen Bezugszeitraum ab 2031 liegen wird. Durch eine höhere Außenlufttemperatur wird der mittlere Heizenergieverbrauch von der berechneten maximalen Heizlast nach DIN EN 12831-1 abweichen. Es ist auch zu beachten, dass nach der Auslegungsaußentemperatur die Heizkurve eingestellt wird.

Erdreichtemperatur

Abgesehen von verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten des Erdreichmaterials hängt die Erdreichtemperatur von der Tiefe ab. Sie unterliegt einer jährlichen Schwankung. Mit zunehmender Tiefe ergibt sich eine Phasenverschiebung in Richtung wärmerer Zeiträume, die mehrere Monate betragen kann. Die DIN EN 16798-5-1 [6] enthält die Gleichung C.2 von Grigull und Sander, mit der die Temperatur des Erdreichs in beliebigen Tiefen und für verschiedene Monate berechnet werden kann.

Der für diese Gleichung erforderliche maximale Monatsmittelwert der Außenlufttemperatur ist ortsabhängig. Eine Ortsabhängigkeit für die Wärmeverluste an das Erdreich berücksichtigt die DIN EN 12831-1 nur über die Jahresmitteltemperatur. Verwendet man die minimale Erdreichtemperatur für die maximale Transmissionsheizlast, so kann sich der Zeitpunkt hierfür vom Zeitpunkt der tiefsten Tagesmitteltemperatur für die Lüftungsheizlast unterscheiden.

Aus diesem Grund gibt die DIN EN 12831-1 den Korrekturfaktor ƒθann zur Berücksichtigung der jährlichen Schwankung der Außentemperatur, besser: Erdreichtemperatur, an. Der Temperaturfaktor wird mit der Erdreichtemperatur für eine bestimmte Tiefe ermittelt und über die Heizperiode gemittelt. Er beträgt konstant 1,45. Diese Vorgehensweise ist sehr pauschal, berücksichtigt nicht die maßgebliche minimale Erdreichtemperatur und auch nicht die mittlere Erdreichtemperatur über einen Teilbereich vertikaler Bauteile.

Bildet man den integralen Mittelwert über die Gleichung im Höhenbereich z₁ bis z₂, so ergibt sich eine Phasenverschiebung in Richtung kälterer Monate, was einen gewissen Ausgleich der oben beschriebenen Richtung bewirkt. Für vertikale Bauteile sollte dieser Mittelwert im Temperaturanpassungsfaktor ƒ_ig,k nach Abschnitt 6.3.2.5 als θ_x eingetragen werden. Dagegen ist für die Bodenplatte die minimale Erdreichtemperatur in der Heizperiode in der Tiefe z als θ_x zu verwenden. Der Korrekturfaktor ƒθann kann dann entfallen. Für jeden Monat der Heizperiode sollte die Software mit entsprechenden Funktionsaufrufen für die Erdreichtemperaturen die maximale Gebäudeheizlast ermitteln.

Lüftung

Der Gesamt-Wärmeverlustkoeffizient H enthält die Bauteilkennziffern U·A für die Transmission durch Außenbauteile und q_v·c·ρ für die Lüftung der Räume. Bei der Lüftung wird in der Heizlastberechnung nach DIN/TS 12831-1 vorausgesetzt, dass jeder Aufenthaltsraum konstant mit dem Volumenstrom q_v gelüftet wird.

Diese Annahme kann man bei einer mechanischen Lüftung treffen, aber nicht bei einer händischen Fensterlüftung. Vor allem in Wohngebäuden werden die Fenster nicht in allen Räumen der Nutzungseinheit gleichmäßig über den Tag verteilt geöffnet.

Innere Wärmequellen und solare Wärmegewinne

Innere Wärmequellen zum Beispiel durch Personen oder Geräte und solare Wärmegewinne vor allem durch die Fenster berücksichtigt die DIN/TS 12831-1 nicht. Da in vielen Nichtwohngebäuden die Betriebszeit begrenzt ist, muss nur für diesen Zeitraum die maximale Wärmeleistung zur Verfügung stehen.

In der Betriebszeit sind zumindest die inneren Wärmequellen bekannt und sollten in Ansatz gebracht werden. Die solaren Wärmegewinne hingegen sind nicht immer vorhanden, weshalb eine Vernachlässigung gerechtfertigt ist. Ebenso sind in Wohngebäuden die inneren Wärmegewinne nur schwer planbar.

Innentemperatur

Die Innentemperaturen können von der Auslegungsinnentemperatur vor allem in Wohngebäuden abweichen, da ungenutzte Räume gering oder gar nicht beheizt werden. Schlafzimmer werden nachts gering beheizt. Die Auslegungsinnentemperatur wird auch nur im Auslegungspunkt erreicht, da die Heizkurve für eine bestimmte Innentemperatur eingestellt wird.

Die Anhebung der Heizkurve auf eine höhere Innentemperatur von zum Beispiel 24 Grad Celsius würde zu einem erhöhten Heizenergieverbrauch und zu einer schlecht funktionierenden Regelung in den Räumen führen, die nicht diese Temperatur benötigen. Somit ist die Sinnhaftigkeit von unterschiedlichen Auslegungsinnentemperaturen in einem Gebäude bei der Heizlastberechnung zweifelhaft.

Trinkwarmwasser

Erfolgt mit dem Wärmeerzeuger auch die Trinkwarmwasserbereitung, so ist deren Energieverbrauch für die Heizlastermittlung abzuziehen. Schätzungen hierfür können nur auf durchschnittlichen Erfahrungswerten beruhen (vgl. [2, Abschn. 7.5]). Einfluss nehmende Größen sind die Zahl der Bewohner und deren Reinigungsgewohnheiten. Diese dürften nicht immer konstant sein und sich zwischen Wohn- und Nichtwohngebäuden erheblich unterscheiden.

Vergleichsrechnungen für ein Einfamilienhaus

Für ein Einfamilienhaus in Oranienburg sollen die Ergebnisse der in der DIN/TS 12831-1 aufgeführten Schätzverfahren der Gebäudeheizlast aus Verbrauchsdaten mit dem Hüllflächenverfahren verglichen werden. Die Verfahren mit Heizgradtagen und Vollbenutzungsstunden hat Walch in [1] beispielhaft beschrieben. In Abb. 3 sind die Ergebnisse nach diesen Verfahren für das Einfamilienhaus mit aufgeführt.

Die Norm enthält eine weitere Schätzmethode, Heizlast aus Einzelwerten der Erzeugerleistung, die den Vorteil hat, dass der Aufwand für die Trinkwarmwasserbereitung aus monatlichen Einzelwerten außerhalb der Heizperiode bestimmbar ist. Die Daten wurden in den Jahren 2022 bis 2025 jeweils am Monatsende protokolliert. Außerdem wurde sichergestellt, dass kein Heizbetrieb außerhalb der Heizperiode möglich ist. Die in diesem Zeitraum protokollierten Daten für die Trinkwassererwärmung wurden auf das Jahr hochgerechnet. Für alle Schätzungen aus dem Verbrauch in Abb. 3 sind somit die tatsächlichen jährlichen Nutzenergiedaten für die Trinkwassererwärmung eingearbeitet.

Das Hüllflächenverfahren 1 ist mit den Temperaturen aus Abb. 2, dem integralen Mittelwert der Erdreichtemperatur für vertikale Bauteile beziehungsweise der minimalen Erdreichtemperatur für die Bodenplatte und mit dem Vorschlag bezüglich der Auswahl des Tagesmittelwertes aus [4, Tabelle 2] berechnet. Zum Vergleich ist das Ergebnis des Hüllflächenverfahrens 2 mit der Auslegungsaußentemperatur aus der DIN/TS 12831-1 angegeben. In beiden Fällen tritt die maximale Gebäudeheizlast im Februar auf.

Die geringsten Abweichungen zum Verfahren mit Einzelwerten der Erzeugerleistung weisen das Hüllflächenverfahren 1 (­2,8 Prozent) und das Verfahren mit Heizgradtagen (-1,6 Prozent) auf. Mit den Temperaturen aus der DIN/TS 12831-1 wäre eine Wärmepumpe um etwa 16 Prozent überdimensioniert, mit den Vollbenutzungsstunden nach Norm um zirka 20 Prozent unterdimensioniert.

Es bestätigt sich, dass, wie bereits Walch festgestellt hat, der Einsatz der Gebäudeinnentemperatur anstelle der Heizgrenztemperatur in der Gleichung 50 der DIN/TS 12831-1 zu einer exakten Übereinstimmung des Vollbenutzungsstunden-Verfahrens mit dem Heizgradtage-Verfahren führt. Dabei würden sich im Mittel 1.854 Vollbenutzungsstunden ergeben.

Fazit

Das Hüllflächenverfahren mit aktualisierten, ortsgenauen Auslegungsaußen- und Erdreichtemperaturen zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Heizlastberechnung aus Verbrauchsdaten. Letztere wurden allerdings mit einer gesonderten Messung der Trinkwassererwärmung außerhalb der Heizperiode ermittelt, die von den Verbrauchsdaten in Abzug zu bringen ist.

Das ist nur möglich, wenn monatlich Verbrauchsdaten protokolliert werden. Die berechnete Nutzenergie für die Trinkwassererwärmung kann sehr von der Gemessenen abweichen, da hier das Nutzerverhalten und die wechselnde Personenanzahl stark einwirken. Daher wird die „Heizlast aus Einzelwerten der Erzeugerleistung“ als das genaueste Verfahren angesehen. Vorausgesetzt es gibt keine zu lange Abschaltung der Heizung, beispielsweise eine Wochenendabschaltung in Büros, und die Daten der jährlichen Betriebszeiten der Heizung werden gesondert erfasst.

Erfreulich ist, dass der Entwurf der DIN EN 15450 auf die Verwendung von Tagesmitteltemperaturen abzielt, was bereits 2012 in [4] gefordert wurde. Es besteht jedoch ein weiterer Forschungsbedarf, um die Zuordnung der Anzahl der Tagesmittel zu einer Zeitkonstanten sowie den Einfluss des Strahlungsanteils der Heizflächen detailliert anhand mehrerer Baukonstruktionen zu bestimmen.

Literatur

[1] Walch, A.: Grad genau berechnet. GEB 01-2026, Seite 37 – 39.

[2] DIN/TS 12831-1:2020-04: Verfahren zur Berechnung der Raumheizlast – Teil 1: ­Nationale Ergänzungen zur DIN EN 12831-1. Beuth Verlag.

[3] DIN EN 12831-1:2017-09: Energetische Bewertung von Gebäuden - Verfahren zur ­Berechnung der Norm-Heizlast - Teil 1: Raumheizlast. Beuth Verlag.

[4] Nadler, N.: Neue Außenlufttemperaturen für die Heizlastberechnung. Gesundheits-Ingenieur 133 (2012) Heft 1, Seite 1 – 12. S. www.cse-nadler.de

[5] DIN EN 15450:2026-02 Entwurf: Heizungsanlagen in Gebäuden – Planung von Heizungs­anlagen mit Wärmepumpen. Beuth-Verlag.

[6] DIN EN 16798-5-1:2017-11: Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuden – Teil 5-1: Berechnungsmethoden für den Energiebedarf von Lüftungs- und Klimaanlagen. Beuth-Verlag.

Dipl.-Ing. Norbert Nadler

führt in Oranienburg ein Ingenieurbüro für Heizung, Lüftung, Solar und thermische Bauphysik. Er hat elf Jahre in Normenausschüssen mitgearbeitet.

n.nadler@cse-nadler.de

Bild: Norbert Nadler