Heizkosten, Überprüfen von Sparmaßnahmen

Dr. Engin Bagda

Einführung

Zum Beurteilen von Sparmaßnahmen muss der Heizwärmeverbrauch in Verbindung mit der Außentemperatur betrachtet werden. Hierfür werden in bestimmten Abständen, zum Beispiel am 01. eines jeden Monats, der Zählerstand notiert. Aus der Differenz des Zählerstandes wird der Wärmeverbrauch in diesem Zeitraum berechnet. Mit diesem Wärmeverbrauch und der Außentemperatur in diesem Zeitraum, wird eine Kennzahl für den Wärmeverbrauch des Gebäudes mit der Dimension kWh/Tag/Kelvin ermittelt (siehe Bild 1).

Diese Kennzahl ist der Wärmeverbrauch in 24 Stunden für jedes °C Differenz zwischen der Außen- und Raumtemperatur. Ziel für die Sparmaßnahmen wäre, diese Kennzahl soweit wie möglich zu reduzieren. Die Außentemperaturen können selbst gemessen (siehe Messen der Außentemperatur), oder aus dem Internet entnommen werden (Anhang 1).

In diesem Aufsatz wird an verschiedenen Gebäuden beispielhaft gezeigt, welche Einsparungen an Heizwärme erreicht werden konnten und mit welcher Genauigkeit diese Sparmaßnahmen ermittelt werden können (siehe Anhang 2 und 3).

Sparen mit einer Gasbrennwertheizung

Es wurde der monatliche Gasverbrauch eines Einfamilienhauses in Seeheim, mit 160 m² beheizter Wohnfläche, verteilt auf 2 Stockwerke, von Januar 2014 bis November 2024 aufgezeichnet. April 2021 wurde die Niedertemperaturheizung gegen eine Gasbrennwerttherme ausgetauscht. Die Monatsmittelwerte des täglichen Heizwärmeverbrauchs sind im Verhältnis zur täglichen Außentemperatur in Abbildung 1 aufgetragen. Die mit der alten Niedertemperaturheizung gemessenen Werte sind die blauen und die mit der neuen Brennwertheizung gemessenen Werte sind die roten Punkte.

Der Wärmeverbrauch ist in diesem Beispiel über das Jahr etwa um 30 % gesunken, nachdem die Brennwertheizung installiert wurde  (Verschiebung der Trendlinie der neuen Heizung nach unten).

Abbildung 1:  Monatsmittelwerte des täglichen Heizwärmeverbrauchs im Verhältnis zur mittleren täglichen Außentemperatur für den Zeitraum Januar 2014 bis November 2024 in einem 1-Familienhaus in Seeheim
blaue Punkte: Alte Heizung Januar 2014 bis März 202
rote Punkte: Neue Heizung Mai 2021 bis November 2024

Die Steigung der Trendlinie zwischen dem Heizwärmeverbrauch und der Außentemperatur ist neben der Heizung von den Wärmeverlusten der Gebäudehülle abhängig (Energiebedarf Heizen nach DIN 4108 Teil 6). Mit der neuen Brennwertheizung ist die Steigung der Trendlinie mit 6,9 kWh/Tag/K etwa 10 % geringer als die der alten Niedertemperaturheizung mit 7,7 kWh/Tag/K.

Der Gasverbrauch für die Warmwasserzubereitung in den Sommermonaten ist mit der alten sowie der neuen Heizung etwa 17 kWh/Tag. Diese wird 24 Stunden mit einer Umwälzpumpe mit einer Temperatur von 55°C bereitgestellt.

Wärmedämmen der Gebäudehülle

Der Gasverbrauch eines 1-Familienhauses über 2 Stockwerke mit etwa 150 m² beheizter Wohnfläche wurde von Januar 2020 bis Mai 2025 monatlich gemessen und in Abbildung 2, in Abhängigkeit der Außentemperatur, aufgetragen. Sommer 2023 wurden die Wände und das Dach gedämmt, ein Teil der Fenster wurde gegen 3-fach verglaste ausgetauscht.

Abbildung 2: Monatsmittelwerte des täglichen Heizwärmeverbrauchs im Verhältnis zur mittleren täglichen Außentemperatur für den Zeitraum Januar 2020 bis Mai 2025 in einem 1-Familienhaus in Darmstadt-Eberstadt
blaue Punkte: nach der Wärmedämmung der Gebäudehülle Sommer 2023
rote Punkte: vor der Wärmedämmung Januar 2020 bis Sommer 2023

Die Einsparung an Heizwärmeverbrauch ist über das Jahr etwa 30%. In diesem Fall nimmt die Steigung der Ausgleichsgeraden im Vergleich zur Erneuerung der Heizung stärker ab. Das bedeutet, dass nach der Wärmedämmung mit fallender Außentemperatur der Wärmeverbrauch geringer ist als mit dem Austausch der Gastherme, was mit den Gesetzen zu den Wärmeverlusten der Gebäudehülle nach DIN 4108-6 zu erklären sind.  

Der Wärmeverbrauch für die Warmwasserzubereitung ist in diesem 2-Personenhaushalt in den Sommermonaten in der Größenordnung von 7 kWh/Tag.

Optimierung einer Heizung

Der Gasverbrauch eines 2 Familienhauses in Darmstadt-Eberstadt mit 220 m² beheizter Wohnfläche, verteilt auf 2 Geschosse wurde monatlich für den Zeitraum vom 01.Oktober 2020 bis zum 31. Oktober 2024 aufgezeichnet.

In Abbildung 3 sind die Monatsmittelwerte des täglichen Heizwärmeverbrauchs gegen die Außentemperatur aufgetragen. Das Warmwasser wird über den Heizkessel auf 55°C erwärmt. Somit beinhaltet der Heizwärmeverbrauch auch die Zubereitung von Warmwasser.

Die roten Punkte sind für den Zeitraum September 2020 bis September 2022 ohne Temperaturabsenkung der Heizung die im Sommer mit „Stand by“ betrieben wurde. Die Umwälzpumpe für die Warmwasserzirkulation ist 24 durchgehend gelaufen.

Die blauen Punkte sind für den Zeitraum September 2022 bis Oktober 2024 in der die Heizung mit einem Temperaturprogramm gesteuert und nachts von 22:00 bis 06:00 sowie tagsüber, entsprechend den Sonnenscheinstunden abgeschaltet wurde (siehe Temperatur Absenkung - Nachtabsenkung und Tabelle 1). Die Umwälzpumpe für das Warmwasser wurde nur bei Bedarf für 15 Minuten mit einem Timer eingeschaltet.

Abbildung 3:  Monatsmittelwerte des täglichen Heizwärmeverbrauchs im Verhältnis zur Lufttemperatur außen eines 2-FH Wohnhauses in Darmstadt-Eberstadt Oktober 2020 bis Oktober 2024.
Die Trendlinien für die Heizperioden 01. Oktober bis 30. April
blau: Oktober 2020 bis April 2022
rot:    Oktober 2022 bis April 2024

In Abbildung 3 gehen die roten und blauen Punkte zum Teil ineinander über, obwohl mit dem Temperaturprogramms der Heizwärmeverbrauch über die Heizperiode mehr als 10% geringer war. Das zeigt, dass Einsparungen in dieser Größenordnung nur mit einer Trendlinie durch die Messpunkte (Ausgleichsgerade mit Excel) über eine Heizperiode ermittelt werden können (siehe Anhang 2).

Tabelle 1: Temperaturprogramm zur Nutzung der solaren Einstrahlung zum Nutzen der solaren Einstrahlung. Die Soll Raumtemperatur war tagsüber zwischen 21°C und 22°C. Nach der Nachtabsenkung der Heizung war die Raumtemperatur, mit Ausnahme von wenigen sehr kalten Tagen, zwischen 20°C und 21°C. 

Für die Zubereitung von Warmwasser Sommer 2021 und 2022, während die Heizung „Stand by“ stand, beträgt der mittlere tägliche Gasverbrauch 16 kWh/Tag. Das sind über 6000 kWh/Jahr für die Zubereitung von Warmwasser. Das entspricht in diesem Gebäude etwa 20% des jährlichem Gasverbrauchs.

September 2022 wurde die alte Umwälzpumpe für die Warmwasserzirkulation mit einer Leistung von 60 W gegen eine Neue, mit einer Leistung von 6 W ausgetauscht und diese mit einem Timer versehen. Damit wurde die Warmwasserzirkulation nur bei Bedarf für 15 Minuten eingeschaltet (siehe Warmwasserzubereitung).

Sommer 2023 und 2024, als die Heizung abgeschaltet war und die Warmwasserzirkulation bei Bedarf nur für 15 Minuten eingeschaltet wurde, war der Gasverbrauch im Mittel 6 kWh/Tag. Das sind auf das Jahr hochgerechnet 2200 kWh/Jahr, und damit bezogen auf die Zubereitung von Warmwasser eine Ersparnis von mehr als 60%. 

Mit dem Abschalten der Heizung im Sommer, dem Einschalten der Warmwasserzirkulation bei Bedarf sowie der neuen Umwälzpumpe wurden 300 kWh/Jahr Strom eingespart, was mehr als die Hälfte des Stromverbrauchs vor diesen Maßnahmen für die Heizung ist.

Anhang 1

Werte für die Lufttemperatur außen

Die täglichen, monatlichen und jährlichen Lufttemperaturen außen können aus der Internetseite des Deutschen Wetterdienstes Meteorologische Daten des DWD - Heizen-Kühlen-Sparen oder Wetter und Klima - Deutscher Wetterdienst - CDC (Climate Data Center) entnommen werden.

Viele Kommunen bieten für ihren Bereich die Außentemperaturen im Internet. Für Darmstadt können, zum Beispiel die stündlichen, täglichen, monatlichen und jährlichen Lufttemperaturen aus der Internetseite  Luftmessstelle Darmstadt | Messdatenportal  entnommen werden.

Anhang 2

Bestimmtheitsmaß R²
Der Wärmeverbrauch in Abhängigkeit der Außentemperatur zeigt eine Streuung, wie in den verschiedenen Abbildungen oben gezeigt.  Der Grund dieser Streuung ist, dass der Heizwärmeverbrauchs neben der Außentemperatur auch von der solaren Einstrahlung sowie Wind abhängt.

Für diese Streuung ist die Kennzahl das Bestimmtheitsmaß R². Mit R² kann abgeschätzt werden, mit welcher Genauigkeit ein Zusammenhang vorausgesagt werden kann (Anpassungs-Güte). Für 100% Genauigkeit ist die maximal mögliche Zahl R²=1,00 (siehe Bestimmtheitsmaß – Wikipedia ).

Je länger der Zeitraum zwischen zwei Messungen umso größer ist R². In unserem Fall sind bei Monatswerften die Genauigkeit in der Größenordnung von 95% (siehe Tabelle 2). Das bedeutet, dass Sparmaßnahmen über eine Heizperiode erst mit einer Wirkung von über 5% über sicher festgestellt werden können. Auch wenn eine Einsparung nicht sicher gemessen werden kann, sollte trotzdem jeder Versuch unternommen werden, um Heizwärme zu sparen.

Tabelle 2: In dieser Ausarbeitung Berechneten Bestimmtheitsmaß R²
* Dieses hohe Bestimmtheitsmaß resultiert aus der geringen Anzahl der Variablen
Das Bestimmtheitsmaß R² aller Messungen oben sind mit Excel ermittelt.

                                                               Anhang 3

Einfluss der Messdauer auf das Bestimmtheitsmaß R²

Es war zu klären, welche Abweichungen tägliche, wöchentliche oder monatliche Messungen des Heizwärmeverbrauchs in Verbindung mit der Außentemperatur zeigen.

Der tägliche Heizwärmeverbrauch eines Einfamilienhauses in Bickenbach bei Darmstadt wurde im Verhältnis zur mittleren täglichen Lufttemperatur außen für den Zeitraum vom 6.11.2023 bis zum 31.03.2024 in Abbildung 4 aufgetragen. Durch die Punkteschar wurde mit Excel eine Trendlinie sowie das Bestimmtheitsmaß R²=85% berechnet.

Abbildung 4: Täglicher Heizenergieverbrauch im Verhältnis zur Lufttemperatur außen eines Wohnhauses in Bickenbach im Zeitraum vom 06.11.2023 bis 31.03.2024

Die gleichen Daten wurden als 7-Tage Mittelwerte in Abbildung 5 ausgewertet und haben ein Bestimmtheitsmaß von 94%. Damit können Einsparmaßnahmen mit den 7-Tageswerten bereits in einem mittleren einstelligen Prozentbereich in einem Zeitraum von 3 Monaten, während einer Heizperiode abgeschätzt werden.

Abbildung 5: 7-Tage Mittelwerte des täglichen Heizenergieverbrauchs im Verhältnis zum 7-Tage Mittelwert der Lufttemperatur außen eines Wohnhauses in Bickenbach im Zeitraum vom 06.11.2023 bis 31.03.2024 aus Abbildung 4

Für viele Gebäude liegen Monatswerte für den Heizenergieverbrauch vor. Deshalb wurde für das Gebäude das Verhältnis der Monatsmittelwerte des täglichen Heizwärmeverbrauchs im Verhältnis zur Außentemperatur in Abbildung 6 aufgetragen. Die 7-Tagewerte sowie die Monatswerte zeigen eine Steigung von 9 kWh/Tag/K. Das zeigt, dass der gebäudespezifische Wärmeverbrauch mit Wochenwerten des Heizwärmeverbrauchs in Abhängigkeit der Außentemperatur recht gut abgeschätzt werden kann, wenn mehr als 20 Daten vorliegen.

Messungen über kürzere Zeiträume als 3 Monate während der Heizperiode, mit weniger als 20 Messpunkten sind nach diesen Analysen nicht belastbar.

Abbildung 6: Monatsmittelwerte des täglichen Heizwärmeverbrauchs im Verhältnis zur Lufttemperatur außen eines Wohnhauses in Bickenbach für den Zeitraum November 2023 bis November 2024

In Abbildung 6 ist das bestimmtheitsmaß mit R²= 98% sehr hoch. Das ist bedingt durch die kleine Anzahl von 8 Messpunkten. Die Messungen an anderen Gebäuden über mehrere Jahre zeigen, dass für die Monatswerte ein Bestimmtheitsmaß von 95% realistisch ist.

Der Gasverbrauch im Sommer für die Warmwasserzubereitung, während die Heizung abgeschaltet ist, beträgt 5,5 kWh/Tag (rote Linie in Abbildung 6).

Danksagung

Herrn Rolf Gerber aus Seeheim und Bernd Schröder aus Eberstadt für die monatlichen Messwerte und

Herrn Manfred Lippok aus Bickenbach für die täglichen Messwerte
für den Heizenergieverbrauch.