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KEK Bericht Nr. 29

Heizgradtagbereinigung des Heizenergieeinsatzes Karl Schöngrundner

Ein Konjunktur- und Umweltbelebungsprogramm für Graz

Heizgradtagbereinigung des Heizenergieeinsatzes Karl Schöngrundner

August 2002

KOMMUNALES ENERGIE KONZEPT GRAZ

KEK Bericht Nr. 29, August 2002 Eine Schriftenreihe im Rahmen des Projektes „Kommunales Energiekonzept Graz (KEK)“ im Auftrag der Stadt Graz, unterstützt von der Grazer Stadtwerke AG, dem Land Steiermark, dem Landesenergieverein Steiermark und dem Bundesministerium f ür wirtschaftliche Angelegenheiten. Eigentümer und Herausgeber Magistrat der Stadt Graz Umweltamt Kaiserfeldgasse 1/IV, 8010 Graz Tel.: +43 316 / 872 43 01 Fax: +43 316/ 872 43 09 Für den Inhalt verantwortlich Der/Die Autor/en Fachliche und organisatorische Betreuung (1994-1996) Energieverwertungsagentur (E.V.A.) Linke Wienzeile 18, 1060 Wien Tel.: +43 222 / 586 15 24 Fax: +43 222 / 586 94 88 Unterstützt vom LandesEnergieVerein Steiermark Burggasse 9/II, 8010 Graz KEK-Projektkomitee Dr. Peter Weinmeister, Stadtsenatsreferent f. den Umweltschutz, Bürgermeisterstellvertreter Dr. Richard Ott, Vorstandsdirektor der Grazer Stadtwerke AG Univ.-Prof. DI Dr. Manfred Heindler, Geschäftsführer der E.V.A. DI Dr. Karl Niederl, Leiter des Grazer Umweltamtes KEK-Projektteam DI Karl Heinz Lesch, Umweltamt DI Boris Papousek, E.V.A. (1994-1996) Stefan Kirchpal, E.V.A. (1994-1996) Druck Magistrat Graz, Beschaffungsamt

FH-Gebäudetechnik, Pinkafeld

Fachhochschul-Studiengang BTM Steinamangerstraße 21 A-7423 Pinkafeld

HEIZGRADTAGBEREINIGUNG DES HEIZENERGIEEINSATZES

Diplomarbeit zur Erlangung des Akademischen Grades Diplomingenieur (FH)

Betreuer:

Dipl.-Ing. Dr. Richard Krotil

eingereicht von:

Karl Schöngrundner

Personenkennzeichen:

9810002029

Datum:

22. Juli 2002

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VORWORT

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die mich bei der Verfassung dieser Diplomarbeit unterstützt haben: •

bei den Mitarbeitern des Referates für Energie und Klima: Sepp Pöltl, Barbara Horst, Ing. Dieter Zeiringer und besonders bei Dipl.-Ing. Karl-Heinz Lesch, Leiter des Referates und Gerhard Blanchard, die mir beim Entwickeln eines Rechenschemas mit Rat und Tat zur Seite gestanden sind

•

bei meinem Betreuer Dipl.-Ing. Dr. Richard Krotil, Fachhochschule Pinkafeld

•

bei den Firmen, die mir das Datenmaterial zur Verfügung stellten

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KURZFASSUNG DEUTSCH

Im Bereich der Energiekosten werden zunehmend neue Instrumentarien zur wirtschaftlichen Optimierung eingesetzt. Dazu zählen Ansätze wie Energiebuchhaltung (Energiecontrolling), Contracting und Facility Management. Um den Wärmeverbrauch einer Heizperiode zu kontrollieren und zu vergleichen ist in allen Fällen eine Bereinigung des Heizmitteleinsatzes erforderlich. Diese Bereinigung wird üblicherweise auf Basis der Heizgradtage (HGT) 20/12 vorgenommen. Der jährliche Energieeinsatz zur Beheizung eines Gebäudes hängt jedoch von vielen verschiedenen Einflussfaktoren wie z.B. der thermischen Qualität eines Gebäudes, dem Nutzerverhalten, der Witterung etc. ab. Alle Einflussfaktoren mit Ausnahme der Witterung sind – zumindest langfristig – vom Menschen beeinflussbar. Seit Aufzeichnungen über den Heizenergieeinsatz gemacht werden, gibt es daher Bestrebungen, eine sogenannte Witterungs- oder Klimabereinigung des Heizenergieeinsatzes vorzunehmen, um die beeinflussbaren von den klimatisch bedingten Verbrauchsänderungen zu unterscheiden. Die Heizgradtage (HGT) wurden entwickelt, um den Einfluss der Witterung auf den Heizenergieeinsatz zu quantifizieren. Auf Grund der vorliegenden Daten der realen Heizkosten der letzten Jahre (Magistratsobjekte, Wohnhäuser etc.) wurde deutlich, dass diese Heizgradtagbereinigung laut ÖNORM B 8135 mit den Heizgradtagen (20/12) die Wirklichkeit meist nicht mehr abbilden kann. So ergeben die in der ÖNORM B 8135 angeführten HGT-Parameter (20/12) in den seltensten Fällen ein realistisches Bereinigungsergebnis. Um eine sinnvolle Heizgradtagbereinigung vornehmen zu können, muss für jedes Objekt das passende Parameterpaar ermittelt werden. Aufbauend auf den Verbrauchsdaten von Schulen, Bürogebäuden und Wohnhäuser wurden die verschiedenen Parameterpaare analysiert und ein Verfahren entwickelt, um die optimalen Parameter für jedes Gebäude zu ermitteln.

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ABSTRACT

The yearly energy consumption for space heating for buildings depends on many different parameters, as size of the building, customer behaviour, thermal insulation, heating system, climate etc. All parameters can be influenced by man, except climate. To compare the yearly consumption over a longer period and to assess the impact of efforts in terms of energy conservation the degree days are used to exclude the influence of the climate. The degree days depend on two parameters and the climate conditions: the theoretical room temperature (ti) and the heating limit (tHG) for the outdoor temperature as well as the average outdoor temperature of the relevant region per day. So, there is not one degree days value of a specific year (for every region), but different degree days for every pair of parameters. The commonly used parameters are (20/12), 20 °C for the room temperature and 12 °C for the limit of heating (daily average outdoor temperature). These parameters have been used for a long time but recently the warm winters and the better build houses ask for a discussion on these pair of parameters and on the degree day approach in general. Based on the data of school buildings, office buildings and dwellings different pairs of parameters are analysed and a methodology to find the best set of parameters for each building is developed.

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INHALTSVERZEICHNIS

1

EINLEITUNG .......................................................................................................1

2

GRUNDLAGEN UND DEFINITIONEN.................................................................3

2.1 Heizgradtage (HGT)..................................................................................................... 3 2.1.1 HGT-Parameter ......................................................................................................3 2.1.2 Berechnungs-Raumtemperatur ti ............................................................................5 2.1.3 Tagesmittel der Außentemperatur tem .....................................................................5 2.1.4 Heizgrenztemperatur tHG ........................................................................................6 2.2

Energiekennzahl (EKZ) ............................................................................................... 6

2.3

Heizgradtagbereinigung............................................................................................... 8

2.4 Wetter-Witterung-Klima .............................................................................................9 2.4.1 Klimatologische Wirkungsfaktoren...................................................................... 10 2.4.2 Stadtklimarelevante Elemente .............................................................................. 11 2.4.3 Faktoren für Temperaturverhalten am Tag...........................................................12 2.4.4 Faktoren für Temperaturverhalten bei Nacht ....................................................... 12 2.4.5 Das Oberflächen – Temperatur - Verhalten im Tag - Nacht - Vergleich ............. 13 2.5 Energiebuchhaltung ...................................................................................................14 2.5.1 Energie- und Kosteneinsparung............................................................................15 2.5.2 Datenmaterial........................................................................................................15 2.5.3 Energiecontrolling ................................................................................................15 2.5.4 Wichtige Datenbasis und Planungsinstrument ..................................................... 16 2.5.5 Datenfernübertragung ...........................................................................................16 2.6

Datenerfassung ...........................................................................................................19

2.7 Energiecontracting .....................................................................................................20 2.7.1 Contracting und HGT ...........................................................................................21 2.7.2 Vertragswerk ........................................................................................................21 2.7.3 Contractingmodelle ..............................................................................................22 3

EINFLÜSSE AUF DEN HEIZENERGIEEINSATZ..............................................24

3.1

Außenklima .................................................................................................................25

3.2

Gebäudehülle ..............................................................................................................26

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3.2.1 3.2.2 3.2.3

U-Werte ................................................................................................................26 Gebäudeform ........................................................................................................27 Massive Bauteile .................................................................................................. 27

3.3

Luftwechsel .................................................................................................................27

3.4

Raumtemperatur ........................................................................................................28

3.5

Passive Sonnenenergienutzung..................................................................................28

3.6

Innere Wärme.............................................................................................................29

3.7

Heizungssystem...........................................................................................................30

3.8

Nutzerverhalten ..........................................................................................................30

4

OBJEKTGRUPPEN UND DER HGT- ANSATZ ................................................32

4.1

Objektkategorien ........................................................................................................32

4.2

Ausgewählte Objekte.................................................................................................. 34

4.3

Verfügbare Datenbasis...............................................................................................35

4.4

Überprüfung des HGT-Ansatzes...............................................................................36

5

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER GEBÄUDESPEZIFISCH OPTIMIERTEN HGT-PARAMETER .................................................................38

5.1

Monatliche Berechnung der HGT-Zahl ...................................................................40

5.2

Jährliche Berechnung der HGT-Zahl ......................................................................44

6

EVALUIERUNG DER BERECHNETEN DATEN ...............................................48

6.1 DFÜ-Objekte...............................................................................................................48 6.1.1 Monatliche Auswertung der DFÜ-Objekte .......................................................... 48 6.1.2 Jährliche Auswertung der DFÜ-Objekte ..............................................................50 6.2 Schulen.........................................................................................................................50 6.2.1 Monatliche Auswertung der Schulen ...................................................................51 6.2.2 Jährliche Auswertung der Schulen ....................................................................... 52 6.3 Bürogebäude ...............................................................................................................53 6.3.1 Monatliche Auswertung der Bürogebäude........................................................... 53

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6.3.2

Jährliche Auswertung der Bürogebäude...............................................................55

6.4 Wohnhaus....................................................................................................................56 6.4.1 Monatliche Auswertung des Wohnhauses............................................................ 56 6.4.2 Jährliche Auswertung des Wohnhauses ...............................................................58 7

SCHLUSSFOLGERUNGEN ..............................................................................59

LITERATURVERZEICHNIS ......................................................................................60 VERZEICHNIS DER DIAGRAMME ..........................................................................62 VERZEICHNIS DER TABELLEN..............................................................................63 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN ......................................................................63

ANHANG ........................................................................................................64

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1

Einleitung

Der jährliche Energieeinsatz zur Beheizung eines Gebäudes hängt von vielen verschiedenen Einflussfaktoren ab. Dazu gehören (siehe Kapitel 3):

• das Gebäude (Größe, thermische Qualität der Hülle, Oberfläche/Volumen-Verhältnis etc.), • das Heiz- und Regelsystem (Kessel, Regelung, Wärmeabgabesystem etc.), • das Nutzerverhalten (Raumtemperaturen, Lüftungsverhalten etc.) und • die Witterung (Außentemperatur, Wind, Einstrahlung etc.). Alle Einflussfaktoren mit Ausnahme der Witterung sind – zumindest langfristig – vom Menschen beeinflussbar. Seit Aufzeichnungen über den Heizenergieeinsatz gemacht werden, gibt es daher Bestrebungen, eine sogenannte Witterungs- oder Klimabereinigung des Heizenergieeinsatzes vorzunehmen, um die beeinflussbaren von den klimatisch bedingten Verbrauchsänderungen zu unterscheiden. Die Heizgradtage (HGT) wurden entwickelt, um den Einfluss der Witterung auf den Heizenergieeinsatz zu quantifizieren (z.B. ÖNORM B 8135). Grundsätzlich können die HGT daher für zwei Aufgaben eingesetzt werden, bei denen aber immer nur der Einfluss der Außentemperatur betrachtet wird: 1. Bewertung von Standorten bzw. Standortunterschieden. 2. Vergleich verschiedener Zeitspannen, meist Kalenderjahre oder Heizperioden. Auf Grund der Definition der HGT besteht zusätzlich zu diesen zwei "historischen" Anwendungen 3. die Möglichkeit, den Einfluss der Raumtemperatur auf den Heizenergieeinsatz abzuschätzen. Diese drei grundsätzlichen Anwendungsmöglichkeiten werden derzeit vor allem in vier Bereichen genutzt. 1. Berechnung der Heizlast und des theoretischen Heizenergiebedarfs eines Gebäudes bzw. dessen Veränderung bei einer Sanierung für einen bestimmten Standort (ÖNORM B 8135). 2. Energiecontrolling: Die Entwicklung des jährlichen Heizenergieeinsatzes soll unabhängig von der Außentemperatur bewertet werden.

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3. Benchmarking: Verschiedene Objekte an verschiedenen Standorten (z.B. einer Gebietskörperschaft) werden bezüglich ihres spezifischen Energieeinsatzes (Energiekennzahl) bewertet, z.B. um eine Prioritätenreihung für die Sanierung festzulegen. 4. Einsparcontracting: Beim Einsparcontracting muss der Erfolg – Erreichen der garantierten Einsparung – nachgewiesen werden. In vielen Fällen muss dieser Nachweis unter Berücksichtigung der HGT (20/12) geführt werden. Wird keine Heizgradtagbereinigung vorgenommen trägt der Contractor das Temperaturrisiko. Auf der anderen Seite kann eine falsche HGT-Bereinigung den Einsparerfolg des Contractors rechnerisch zunichte machen. Historisch gesehen stammen die HGT (20/12) aus einer Zeit mit thermisch schlechten Gebäudehüllen, vorwiegend Einzelöfen und somit nur teilweise beheizten Gebäuden sowie kalten Wintern. Für den Einfluss der Witterung auf den Heizenergieeinsatz war die Außentemperatur damals der wesentlichste Indikator. Die Werte 20 °C für die Raumtemperatur und 12 °C für die Heizgrenztemperatur waren für die ersten 70 Jahre des letzten Jahrhunderts durchaus realistische Annahmen. Seitdem hat sich viel geändert. Durch den Komfort der Zentralheizungen und den gesellschaftlichen Wohlstand sind durchschnittliche Raumtemperaturen von 20 °C während der Heizperiode sowie eine Heizgrenztemperatur von 12 °C heute unrealistisch. Dazu kommen die Verbesserungen im Neubau, die die Vermutung nahe legen, dass die Außentemperatur nicht mehr der einzige oder wesentlichste Indikator für den Einfluss der Witterung auf den Heizenergieeinsatz ist. Besonders deutlich wird diese Diskrepanz in warmen Wintern in denen an vielen Tagen geheizt wird, obwohl die "alte" Heizgrenztemperatur von 12 °C überschritten wird. Auf Grund dieser Überlegungen werden in dieser Arbeit drei Hypothesen untersucht: 1. Eine Witterungsbereinigung kann nicht ausschließlich mittels der HGT durchgeführt werden. 2. Die HGT-Parameter (20/12) sind nicht mehr für alle Gebäude zutreffend. 3. Der HGT-Ansatz ist für Gebäude nach dem Stand der Technik (Niedrigstenergie- und Passivhäuser) kaum anwendbar. Kann die 2. Hypothese bewiesen werden, wird eine Methode für die Auswahl der besten HGT-Parameter entwickelt.

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Grundlagen und Definitionen

2.1

Heizgradtage (HGT)

Um den Wärmeverbrauch in einer Heizperiode zu kontrollieren und zu vergleichen, hat man in der Heizungstechnik den Begriff der Heizgradtage (HGT) eingeführt. Laut ÖNORM B 8135 und ÖNORM M 7500 werden die Heizgradtage aus den Summen der Differenzen zwischen der Berechnungs-Raumtemperatur von 20 °C und dem Tagesmittel der Außentemperatur tem über alle Heiztage der Heizzeit (vom 1. Oktober bis 30. April) bei einer Heizgrenztemperatur von 12 °C mittlerer Außentemperatur ermittelt. Die so ermittelten Heizgradtage werden auch in der Praxis meist für Berechnungen herangezogen. Für die Berechnung der Heizgradtage nach Norm wird also die Heizperiode für den Zeitraum zwischen 1. Oktober und 30. April festgelegt, außerdem eine angestrebte Raumtemperatur von 20 °C und die Annahme, dass unter einer Außentemperatur von 12 °C geheizt wird. Aus dieser Festlegung ergibt sich die Kurzbezeichnung HGT (20/12). z

HGT20 /12 = ∑ (20 − t em )

[Kd ]

n =1

tem z

2.1.1

(2.1)

Mittlere Tagestemperatur [°C] Anzahl der Tage für die gilt: tem...