5 GEBÄUDETECHNIK UND ENERGIE

Die Gebäudetechnik kann heute nicht mehr isoliert betrachtet werden. Gebäudehülle, Gebäudestandort sowie die vielfältigen Anforderungen und Labels beeinflussen entscheidend die Wahl der Gebäudetechnik. Ziel ist es, unter Einhaltung der gesetzlichen und normativen Vorgaben, mit einem Minimum an Technik und Komplexität und einem möglichst grossen Anteil an erneuerbarer Energie oder Abwärme die nutzungsspezifischen Anforderungen, z.B. an die Behaglichkeit, einzuhalten. Dabei muss der gesamte Einsatz von Energie (Erstellung und Betrieb) so tief wie nur möglich gehalten werden.

Dieses Ziel kann nur erreicht werden, wenn die Gebäudetechnik von Beginn weg als ein Teil des Ganzen angesehen wird. Integrale Planung in einem starken Team ist angesagt.

5.1.1 Elemente der Heizungsanlage

Heizungsanlagen bestehen aus den drei Teilen Wärmeabgabe, Wärmeverteilung und Wärmeerzeugung (vgl. Bild 5.1.1).

5.1.2 Wärmeabgabesysteme (Auswahl)

Die guten Wärmedämmwerte bei opaken und transparenten Bauteilen führen zu kleinen Heizleistungen und es werden raumseitige Oberflächentemperaturen erreicht, die nur geringfügig tiefer sind als die Raumlufttemperatur. Zur Vermeidung eines Kaltluftabfalls ist deshalb meist kein «Warmluftvorhang» (Radiator, Konvektor o.Ä.) erforderlich (vgl. auch Kapitel 2.1 «Behaglichkeit») und die Strahlungsasymmetrie ist aus Sicht der Behaglichkeit unbedeutend. Dies sind ideale Voraussetzungen für Wärmeabgabesysteme mit tiefen Vorlauftemperaturen.

Flächenheizungen

Flächenheizungen wie Fussboden-, Wand- oder Deckenheizsysteme werden mit Vorlauftemperaturen von kleiner als 35 °C (Vorgaben MuKEn) betrieben. Bei den thermoaktiven Bauteilsystemen, den sogenannten TABS, liegen die Vorlauftemperaturen im Bereich von 25 bis
28 °C. Werden Flächenheizsysteme eingebaut, spricht man auch von Niedertemperaturheizung.

Mit Fussbodenheizungen und TABS wird viel Masse (Unterlagsboden oder Betonkern) auf einem tiefen Temperaturniveau temperiert. Dies führt zu einer grossen Trägheit und somit zu sehr langsam reagierenden Systemen. Durch diese grosse Trägheit, kombiniert mit den tiefen Vorlauftemperaturen (und den sich einstellenden tiefen Oberflächentemperaturen), stellt sich ein Selbstregeleffekt ein: Steigt die Raumlufttemperatur, z.B. durch Sonneneinstrahlung, an, nimmt die abgegebene Heizleistung automatisch ab, weil die Temperaturdifferenz zwischen der Heizfläche und der Raumluft kleiner wird. Bei kleinen Anlagen mit nur einer Heizgruppe kann unter Umständen auf eine Einzelraumregulierung vollständig verzichtet werden.

Bei Wand- und Deckenheizsystemen wird weniger Masse temperiert als bei Bodenheizungen, da diese in der Regel sehr raumnah im Innenputz oder unmittelbar unter dem Putz montiert werden. Diese Systeme reagieren deshalb wesentlich schneller auf Veränderungen bei der Wärmelast im Raum.

Die spezifische Leistungsabgabe bei einer Fussbodenheizung mit einer Vorlauftemperatur von 30 °C liegt bei etwa 30 W/m². In exponierten Räumen kann es, bei Gebäuden mit einer schlechten Gebäudehüllzahl und einem grossen Fensteranteil oder in Räumen mit einer kleinen nutzbaren Bodenfläche und zusätzlich höheren Anforderungen an die Raumlufttemperatur (z.B. Bäder mit einer Raumlufttemperatur von 22 °C), vorkommen, dass auch bei gut gedämmter Gebäudehülle die notwendige Heizleistung mit dem Flächenheizsystem nicht abgedeckt werden kann. Wenn wegen dieser wenigen Räume die Vorlauftemperatur erhöht werden muss, lässt sich die ganze Heizungsanlage nicht mehr effizient betreiben. In einem solchen Fall gilt es, zuerst die Gebäudehülle zu optimieren (U-Werte von opaken und transparenten Bauteilen und deren Flächenanteile). Zusammen mit einem kleineren Verlegeabstand der Fussbodenheizung kann dann die geforderte Heizleistung evtl. erreicht werden.

Bei Fussbodenheizungen hat die Wahl des Bodenbelags einen Einfluss auf die Behaglichkeit. Bodenbeläge aus Stein- oder Tonplatten werden vor allem in der Übergangszeit als kalt empfunden.

In Bädern ist es unter bestimmten Voraussetzungen zulässig, elektrische Handtuchheizkörper oder Infrarotheizungen einzubauen, wenn diese nur zu Komfortzwecken eingesetzt werden (die «Normaltemperatur» von z.B. 21 °C wird über das zentrale Wärmeabgabesystem gewährleistet). Diese Heizflächen müssen über eine Zeitschaltuhr bedarfsgerecht betrieben werden; ein Dauerbetrieb ist nicht notwendig.

Decken- und Fussbodenheizung können auch zur Raumkühlung verwendet werden. Die auf die Fläche bezogene Kälteleistung ist wegen der Gefahr von Kondensat beschränkt und liegt wesentlich tiefer als die Heizleistung. Ob Heizflächen auch zu Kühlzwecken verwendet werden, muss bereits bei der Planung festgelegt werden. Eine präzise Planung ist unumgänglich.

Heizkörper

Heizkörper müssen gemäss MuKEn mit Vorlauftemperaturen von ≤ 50 °C betrieben werden. Je tiefer die Vorlauftemperaturen sind, desto grösser werden die Heizkörper. Fällt die mittlere Temperatur der Heizkörper unter 35 °C, sind diese im Auslegefall noch knapp handwarm. Nutzer beurteilen in diesem Fall die Raumlufttemperatur oft als zu kalt, weil ja auch die Heizkörper «kalt» sind.

In untergeordneten Räumen (z.b. Hobby- und Disponibelräume im Untergeschoss, Treppenhäuser) ist die Montage von Heizkörpern einer Fussbodenheizung vorzuziehen. Dadurch kann auf schwimmende Unterlagsböden verzichtet werden. Je nach Anzahl und Lage solcher Heizkörper werden diese über eine eigene Heizgruppe betrieben, womit den gegenüber der Wohnraumheizung unterschiedlichen Betriebsbedingungen Rechnung getragen werden kann.

5.1.3 Wärmeerzeugung (Auswahl)

Die Auslegung der Wärmeerzeuger erfolgt auf Grundlage der Norm SIA 384.2 (Heizungsanlagen in Gebäuden – Leistungsbedarf). Neben der Normheizlast muss auch noch die Leistung für die Warmwasseraufbereitung berücksichtigt werden. Gut gedämmte und kompakt gebaute Mehrfamilienhäuser mit einem normalen Fensteranteil haben eine relativ tiefe Heizlast. Die für die Warmwassererwärmung notwendige Heizleistung ist aber wegen der grossen Anzahl Bewohner hoch. Die Wärmeleistung für die Warmwasserbereitstellung kann in solchen Fällen entscheidend für die Auslegung des Wärmeerzeugers sein.

Wärmepumpensysteme

Bei einer Wärmepumpe wird Umweltwärme (60 bis
80 %, Quelle auf tiefem Temperaturniveau) unter Verwendung von elektrischer Energie (20 bis 40 % hochwertige Energie) auf ein mittleres, für Heizzwecke nutzbares Niveau gebracht. Dabei arbeitet die Wärmepumpe effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Abgabe ist. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch den COP (Coefficient Of Performance; Momentanbetrachtung) bzw. durch die JAZ (Jahresarbeitszahl, Langzeitbetrachtung) ausgedrückt.

Erfolgt die Wärmeaufnahme aus oberflächennaher Geothermie (untiefe Geothermie), wie z.B. Erdwärmesonden, Energiekörben oder Grundwasser, kann über das Jahr mit relativ konstanten Quelltemperaturen von 3 bis 12 °C gerechnet werden. In Kombination mit einer Fussboden- oder Wandheizung (Vorlauftemperaturen ≤ 35 °C) muss die Wärmepumpe einen relativ kleinen Temperaturhub leisten und arbeitet somit sehr effizient.

Bei Aussenluft-Wärmepumpen dient die Aussenluft als Wärmequelle. Im Gegensatz zur oberflächennahen Geothermie ist die Temperatur dieser Wärmequelle nicht konstant. Zudem fällt die Temperatur der Wärmequelle im Winter für längere Zeit auf < 0 °C.

Nun zeigen diverse Untersuchungen, dass unter Verwendung von aktueller Wärmepumpentechnik und bei einem Anteil des Warmwassers am Gesamtenergiebedarf von 45 bis 55 % der Einsatz von Aussenluft-Wärmepumpen energetisch mindestens gleichwertig ist wie der Einsatz von Erdsonden- oder Grundwasser-Wärmepumpen. Durch gut gedämmte Gebäudehüllen und die passive Nutzung der Sonnenenergie reduziert sich der Energieaufwand für die Beheizung der Wohngebäude. Der Energieaufwand für das Erwärmen des Warmwassers bleibt aber gleich gross, da dieser im Wesentlichen durch die Anzahl Personen und durch das Nutzerverhalten gegeben ist. In einem mittelgrossen Mehrfamilienhaus beträgt der Energieaufwand für das Warmwasser etwa 50 % des Gesamtwärmebedarfs. Ab einer Aussentemperatur von > 5 °C ist die Quellentemperatur für eine Aussenluft-Wärmepumpe in etwa gleich der einer Erdsonden-Wärmepumpe. Somit können Aussenluft-Wärmepumpen ab einer Aussenlufttemperatur von > 5 °C so effizient wie Erdwärmesonden-Wärmepumpen betrieben werden. Voraussetzung hierfür ist, wie bereits erwähnt, eine gut gedämmte Gebäudehülle, eine effiziente Wärmepumpe und der Energiebedarf für das Warmwasser muss mehr als 45 % des Gesamtenergiebedarfs betragen (vgl. Bild 5.1.2).

Für die Wärmeaufnahme aus der Aussenluft werden die Verdampfer der Wärmepumpe entweder im Aussenraum aufgestellt, die Aussenluft über Kanäle zur Wärmepumpe geführt oder die gesamte Wärmepumpe im Aussenraum aufgestellt (vgl. Bild 5.1.3). Bei all diesen Varianten wird die Aussenluft über einen oder mehrere Ventilatoren zum Verdampfer geführt, was zu Schallemissionen führt. Um den Anforderungen an den Schallschutz aus der Lärmschutzverordnung (LSV) gerecht zu werden, sind geeignete Massnahmen notwendig. Für alle hier dargestellten Wärmepumpensysteme ist ein behördliches Bewilligungsverfahren erforderlich!

Wärmepumpenanlagen werden idealerweise mit Photovoltaikanlagen ergänzt. Der für den Betrieb der Wärmepumpe benötigte Strom lässt sich so teilweise auf dem Grundstück produzieren.

Holzheizungen

Holzheizungen garantieren aus Sicht der Treibhausgase einen umweltfreundlichen Heizungsbetrieb. Obwohl in neuen Holzheizkesseln das Holz sehr effizient verbrannt wird, entsteht bei der Verbrennung schädlicher Feinstaub. Dieser kann jedoch mit speziellen Filtersystemen zu einem grossen Teil aus den Abgasen entfernt werden.

Holzkessel werden idealerweise mit einer thermischen Solaranlage kombiniert, welche das Brauchwarmwasser über die Sonne erzeugt. Oft kann dadurch der Wärmeerzeuger im Sommer ganz abgeschaltet und dadurch der wenig effiziente Teillastbetrieb vermieden werden.

Stückholzkessel

Stückholzkessel werden in Einfamilienhäusern und kleinen Mehrfamilienhäusern als monovalentes Heizsystem eingesetzt. Die Kessel werden in der Regel händisch beschickt, was mit einem entsprechenden Aufwand verbunden ist. Um den einwandfreien Betrieb zu garantieren, muss der Stückholzkessel mit einem technischen Speicher betrieben werden. Der Platzbedarf für diese Heizsysteme ist dadurch relativ gross, vor allem wenn auch noch berücksichtigt wird, dass genügend Brennholz in Kesselnähe bzw. auf dem Grundstück gelagert werden muss (vgl. Bild 5.1.4).

Holzpellets-Kessel

Der Anwendungsbereich für Holzpellets-Kessel reicht vom Einfamilienhaus bis zu Grossanlagen mit mehreren Hundert Kilowatt Leistung. Holzpellets sind ein in Form und Energieinhalt normierter Brennstoff. Dies ermöglicht eine sehr gute Verbrennung und eine automatische Beschickung des Heizkessels, wodurch der Aufwand für Betrieb und Unterhalt der Anlagen klein gehalten werden kann. Lagerräume für Holzpellets liegen mit Vorteil in der Nähe der Heizzentrale und müssen ganzjährig trocken bleiben. Der Transport der Pellets erfolgt durch ein Schnecken- oder Saug-Fördersystem (vgl. Bild 5.1.5). Das Volumen des Lagerraums richtet sich nach dem Energiebedarf der Heizungsanlage. Die Befüllung erfolgt mittels Tankwagen zwei- bis dreimal jährlich.

Holzschnitzel-Kessel (Hackschnitzel-Kessel)

Holzschnitzel-Kessel werden für grosse Heizungsanlagen mit mehreren Hundert Kilowatt bis zu mehreren Megawatt Heizleistung eingesetzt (vgl. Bild 5.1.6). Dadurch eignen sich diese Systeme auch für grosse Wärmeverbund- und Industrieanlagen. Der grosse Aufwand für die Infrastruktur und den Betrieb dieser Anlagen rechtfertigt eine professionelle Betreuung. Solche Anlagen werden deshalb oft von einem Contractor betrieben, der basierend auf einer Vollkostenrechnung die Energie verkauft. Die Schnitzelbunker für die Lagerung der Holzschnitzel liegen in unmittelbarer Nähe der Heizzentrale. Die Trocken- oder Grünschnitzel werden mit Förderanlagen vom Lager zum Heizkessel transportiert. Die Befüllung der Bunker erfolgt mit Lastwagen. An kalten Wintertagen, wenn der Bedarf an Wärme sehr gross ist, werden Schnitzelbunker alle ein- bis zwei Wochen befüllt. Dies erfordert eine einfache und sichere Zufahrt.

Öl- und Gaskessel

Erdöl und Erdgas gehören zu den nicht erneuerbaren Energien, das heisst, die Reserven sind begrenzt. Bei beiden Energieträgern entstehen bei der Verbrennung grosse Mengen Kohlendioxyd (CO₂) und andere Schadstoffe, welche die Umwelt belasten. Moderne Öl- oder Gaskessel werden als sogenannte Brennwertkessel betrieben. Bei diesen Heizkesseln wird auch das im Brennstoff enthaltene Wasser (als Wasserdampf in den Abgasen enthalten) kondensiert und als Latentenergie für die Wärmebereitstellung genutzt. Die Effizienz der Anlagen steigt dadurch an. Allerdings ist für die Kondensation eine relativ tiefe Rücklauftemperatur der Wärmeverteilung notwendig. Werden in Neubauten oder bei Sanierungen Öl- oder Gaskessel eingesetzt, dürfen nur noch Brennwertkessel eingebaut werden (MuKEn). Gas ist ein leitungsgebundener Energieträger und kommt meist nur dann infrage, wenn der nächste Erdgasanschluss weniger als 50 m entfernt liegt. Öl- und Gaskessel können ideal mit thermischen Solaranlagen kombiniert werden. Eine Zertifizierung nach dem Minergiestandard ist mit einer mit Öl oder Gas betriebenen Wärmeerzeugung nicht möglich!

5.1.4 Umweltbelastung der Wärmeerzeugersysteme

Der Betrieb von Wärmeerzeugungsanlagen belastet die Umwelt. So entsteht z.B. durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Öl- und Gaskesseln neben verschiedenen Verbrennungsprodukten vor allem das Treibhausgas CO₂. Auch bei der Verbrennung von Holz entsteht CO₂. Unter der Annahme, dass dieselbe Holzmenge im Wald wieder nachwächst, kann Holz aber als CO₂-neutral angesehen werden. Bei der Verbrennung von Holz entsteht jedoch auch Feinstaub, einer der problematischen Luftschadstoffe. Die Qualität der Verbrennung und der Abscheidegrad des nachgeschalteten Feinstaubfilters bestimmen die Umweltbelastung einer Holzheizung.

Wärmepumpen werden mit Strom betrieben, die Umweltbelastung der Anlage ist deshalb vom bezogenen Strommix abhängig. Ganz anders als Strom aus Kohle- oder Gaskraftwerken, welcher mit einem hohen CO₂-Ausstoss verbunden ist, führt Strom aus Wasserkraftwerken (z.B. Naturmade Star) nur zu einer sehr geringen CO₂-Emission.

Die Umweltbelastung durch den Betrieb von Wärmeerzeugern kann ziemlich genau berechnet werden, weil die Umweltwirkungen der einzelnen Energieträger gut bekannt sind und der Energieverbrauch recht genau berechnet oder gemessen werden kann. Für eine ganzheitliche Betrachtung müssen jedoch neben der Belastung durch den Betrieb der Anlagen auch die Belastungen für Erstellung und Entsorgung der Systeme (z.B. graue Energie) beurteilt werden. Die hierfür erforderlichen Berechnungen (Ökobilanzen) sind nicht sehr präzise, da für die komplizierten Anlagen und Prozesse viele Annahmen und Vereinfachungen getroffen werden müssen. Besonders bei Produkten, deren Herstellungsverfahren schnelle Veränderungen erfahren (z.B. Photovoltaik), widerspiegeln die zur Verfügung stehenden Inventardaten oft nicht den aktuellen Stand, weil die Datenerhebung um Jahre zurückliegt.

Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass bei Gas-, Öl- und Holzheizungen der Einfluss der Herstellung der Anlagen auf die Gesamtbetrachtung eher gering ist, weil die Anlagen vergleichsweise einfach sind und der Betrieb die dominante Belastung verursacht (vgl. Bilder 5.1.7 und 5.1.8). Ganz anders sieht es bei den Wärmepumpensystemen aus. Sie verursachen bei Bezug von «sauberem» Strom im Betrieb eine äusserst geringe Belastung. Die Erstellung der Anlage, mit dem Bohren von Erdwärmesonden oder dem Bau von Grundwasserfassungen, ist entscheidend für die Umwelteinflüsse. Noch extremer ist die Verteilung der Belastung bei thermischen Solaranlagen und Photovoltaikanlagen. Bei ihnen spielt nur die Erstellung eine Rolle; diese ist keinesfalls vernachlässigbar.

Die Umweltbelastungen, welche durch die Erstellung und durch den Betrieb von Wärmeerzeugern entstehen, werden im Folgenden beispielhaft an vier unterschiedlichen Systemen untersucht. Für Heizen und Warmwasser werden rechnerisch die gleichen Nutzungsgrade und Jahresarbeitszahlen berücksichtigt.

Die Systeme für Wärmeverteilung und Wärmeabgabe werden in dieser Betrachtung nicht berücksichtigt, weil sie in der Regel, unabhängig von der Wärmeerzeugung, identisch sind.

Untersuchte Wärmeerzeugersysteme

Variante 1: Gaskessel kondensierend mit thermischer Solaranlage

• Nutzungsgrad Gaskessel: 0,90
• Anteil der thermischen Solaranlage am Nutzenergiebedarf: 20 %

Variante 2: Holzpellets-Kessel mit thermischer Solaranlage

• Nutzungsgrad Holzpellets-Kessel: 0,85
• Anteil der thermischen Solaranlage am Nutzenergiebedarf: 20 %

Variante 3: Aussenluft-Wärmepumpe mit Photovoltaikanlage

• Jahresarbeitszahl Heizen: 3,0 (SIA 2024)
• Anteil der Photovoltaik am Nutzenergiebedarf: 30 %

Variante 4: Erdwärmesonden-Wärmepumpe mit Photovoltaikanlage

• Jahresarbeitszahl Heizen: 4,3 (SIA 2024)
• Anteil der Photovoltaik am Nutzenergiebedarf: 30 %

Grundlagen

• Berechnung mit dem Excel-Tool «Variantenvergleich Energiesysteme V3.0», Stadt Zürich (Basisdaten für das Ermitteln der Umweltbelastungen sind die Primärenergiefaktoren, Treibhausgase und Umweltbelastungspunkte aus der KBOB Empfehlung «Ökobilanzdaten im Baubereich» 2009/1:2016 sowie Angaben von Elektrizität Stadt Zürich und ewz-Produkte: EWZ – Stadt Zürich, Umweltdeklaration 2020 für Stromprodukte).
• Jährlicher Nutzenergiebedarf: 23’400 kWh für Heizung und Warmwasser (kleines Mehrfamilienhaus mit etwa 750 m² EBF, guter Wärmedämmstandard).

Vergleich der Umweltbelastungen der aufgeführten Wärmeerzeugersysteme

Aus den Bildern 5.1.7 und 5.1.8 gehen die CO₂-Emissionen und die Umweltbelastungspunkte (UBP) hervor, dies in Abhängigkeit der gewählten Wärmeerzeugung. Eine kondensierende Gasheizung verursacht eine Umweltbelastung, die in etwa um einen Faktor 2 bis 4 grösser ist als bei den anderen Systemen. Auch die Treibhausgasemissionen sind bei der Gasheizung um etwa einen Faktor 8 höher als bei Heizungen mit erneuerbarer Energie. Durch die Verwendung von Strom aus nachhaltiger Produktion (z.B. ewz Wassertop) kann bei Wärmepumpentechnik die Wärmeenergie nochmals ökologischer bereitgestellt werden. Rechnerisch wirkt sich das aber bei der Variante mit JAZ = 5,0 und 20 % PV-Strom nicht aus: Mit dem PV-Strom wird der gesamte Nutzenergiebedarf erzeugt, ohne im Betrieb eine Umweltbelastung zu verursachen.