Wie Elektrospeicheröfen und Gebläse-Konvektoren in moderne Gebäude passen
Eine Entwicklung der Energiewende in der Gebäudeenergieversorgung sind tatsächlich Speicheröfen. Das zweifelhafte Paradepferd früherer Tage war der Nachtspeicherofen. Er geriet zu Recht in Verruf, weil er erstens Strom aus dreckiger Produktion bezog (Kohle- oder Atomstrom) und zweitens aufgrund unregulierter Speicherkapazität diese Energie auch unreguliert wieder abgab, nämlich dauernd. Deshalb waren Nachtspeicheröfen unterm Strich ineffizient und teuer.
Elektrospeicheröfen ermöglichen einen hohen Eigenstromverbrauch
Heizen mit Strom wird aber wieder diskutiert. Die Eigenstromnutzung im Haus über die eigene Photovoltaikanlage (PV-Anlage) auf dem Dach gewinnt Vorrang vor der Einspeisung ins Netz, weil die Vergütung nach Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) eine Rentabilität kaum noch verspricht. Stromheizungen können den Eigenverbrauch der privaten PV-Anlage erhöhen. Und sie können Ökostrom auch aus dem Netz ziehen. Ein Anreiz auch aus Sicht der EnEV: Je höher der Anteil von selbst erzeugtem Strom an der Energieversorgung für Heizen, Lüften und Warmwasser des Gebäudes ausfällt, desto mehr wirkt sich das auf den Primärenergiebedarf des Gebäudes aus.
„Der Trend im Neubau und bei Gebäudesanierungen geht zu einem sehr hohen Dämmstandard. Damit ist der Wärmebedarf in vielen Fällen so gering, dass sich die Investition in ein wassergeführtes Heizsystem nicht lohnen würde. Die Elektrospeicherheizung kann einfach in das elektrische Leitungssystem des Gebäudes integriert werden, ohne dass eine Heizwasserverrohrung nötig wird“, sagt Ralph Partridge, Manager Elektroheizung und -warmwasserbereitung bei Glen Dimplex Deutschland.
Im Neubau können solche Systeme, wenn sie die EnEV und den Anteil erneuerbarer Energien einhalten, auch verwendet werden. Ausgeschlossen sein sollte dort allerdings eine Gasanschlusspflicht. Und im Altbau? 2013 kippte die Regierungskoalition von Union und FDP das Verbot für Nachtspeicherheizungen: Die rund 1,5 Millionen Nachtspeicherheizungen in Deutschland dürfen über das Jahr 2019 hinaus betrieben werden. Umweltschützer kritisierten dies als Klientelpolitik, die Regierung argumentierte mit dem zukünftigen Speicherpotenzial für Strom aus erneuerbaren Energien über die Nachtspeicheröfen. Sowohl die einen als auch die anderen hatten recht. Die Umweltschützer, weil die bestehenden Öfen zum Beispiel technisch nicht in der Lage sind, Eigenstrom zu verwerten, und könnten sie dies, blieben sie weiter ineffizient aufgrund der veralteten Technik.
Moderne Elektrospeicheröfen besitzen intelligente Ladekonzepte
Doch die Technik hat sich weiterentwickelt. Wenn sich die Aufmerksamkeit nun unter anderen Vorzeichen wieder auf Elektrospeicherheizungen richtet und diese eine Renaissance erfahren könnten, dann sollten sie gegebenenfalls auch mit variablen Stromquellen betrieben werden können, wenn der Gebäudebesitzer über eine PV-Anlage verfügt und mehr Eigenstromnutzung wünscht. Das dürfte auch interessant sein für die ersten PV-Anlagen, die 2020 nach 20 Jahren aus der EEG-Vergütung herausfallen.
Der Solarspeicherofen von Stiehle Naturenergie besitzt beispielsweise ein Heizregister, das von zwei getrennt voneinander arbeitenden Energielieferanten beladen werden kann. Die Solarheizregister bei Stiehle sind so in den Speichersteinen verteilt, dass der Ofen, wenn möglich, ganz mit Solarenergie beladen werden kann. Die geladene Solarenergiemenge wird von Stiehles Regeltechnik (Sunbrain) bilanziert, unter Berücksichtigung der Wetterdaten. Fehlende Energiemenge wird nachts aus dem Stromnetz dazugeladen. Beim Intelligent Quantum von Glen Dimplex legt die Standardprogrammierung fest, dass PV-Stromerträge immer komplett ausgenutzt werden. Die Beladung der Speicherheizung wird aber grundsätzlich mit Netzstrom abgesichert.
Beide Speicheröfen können also mit variablen Stromquellen betrieben werden. Der aufgenommene Strom wird in Form von Wärme im Speichersteinkern bis zu 72 Stunden gespeichert. Die Wärmeabgabe an den Raum erfolgt per Oberflächenstrahlung und bei Bedarf zusätzlich per Ventilator. Die Menge der Stromaufnahme richtet sich nach der Außentemperatur. Dabei kann auch die Wettervorhersage für den nächsten Tag mit einbezogen werden.
Details der Konstruktion
Stiehle wählte bei seinen Speichersteinen auch eine besondere Konstruktion. „Die Speichersteine besitzen spezielle Luftöffnungen. Über sie wird die Wärme im Stein leichter verteilt. Es bedarf also weniger Energie, um die Steine gleichmäßig und voll aufzuheizen“, erläutert Geschäftsführer Fritz Stiehle. Weitere konstruktive Punkte sind:
- Die Gebläse sind flach liegend angeordnet, was eine bessere Entladung verspricht. Bei älteren und anderen Öfen sind die Ventilatoren meist senkrecht an einer Seite eingebaut. Der von ihnen erzeugte Luftstrom schafft es nicht, den Ofen so optimal und vollständig zu entladen wie im Fall eines flach liegenden Gebläses.
- Die Luftklappen sitzen bei Stiehles Solarspeicheröfen unten im Sockelbereich. Wenn die Klappen geschlossen werden, findet fast keine Entladung statt.
„Das eliminiert einen großen Nachteil herkömmlicher Nachtspeicheröfen: Diese sind nicht in der Lage, Energie über längere Zeit zu speichern und nur abzugeben, wenn Wärme benötigt wird. Die Entladung in diesem Ofen geschieht gezielt“, sagt Stiehle. Im Stiehle-Ofen ist außerdem eine hochdisperse Kieselsäuredämmung verbaut. Eine solche hat gegenüber mineralischen Dämmungen wie z. B. Mineral- oder Steinwolle den dreifachen Dämmwert bei gleicher Stärke.
Feolit statt Magnesit als Speichermedium
In vielen Nachtspeicheröfen befinden sich Wärmespeichersteine, die unter die Sammelbezeichnung Chrommagnesit fallen. In diesen sind mehr oder weniger große Mengen Chrom (III) verbaut. Ein Schwermetall, von dem zwar im laufenden Betrieb des Ofens keine Gefahr ausgeht. Dennoch ist es Sondermüll, der durch die Verwendung von Feolitspeichersteinen vermieden wird.
In den Solarspeicheröfen von Stiehle sind Feolitspeichersteine (Eisenoxidsteine) statt Magnesitspeichersteine eingebaut. Glen Dimplex verwendet ebenfalls Feolit. Weiterer Vorteil: Feolit hat mehr Masse als Magnesit. Es kann mehr Wärme auf gleichem Raum gespeichert werden. Außerdem können Feolitsteine besser beladen werden als Magnesitsteine.
Position und Dimensionierung von Gebläsekonvektoren
Gebläsekonvektoren sind sowohl im Neubau als auch im Altbau bei Sanierungen Alternativen bzw. gegebenenfalls auch Ergänzungen zu Flächenheizungssystemen. Im Neubau oder bei der Renovierung von Wohngebäuden werden die Heizenergieerzeuger in den Systemtemperaturen heute deutlich niedriger betrieben, als das früher der Fall war. Mit jeder weiteren Verschärfung der Werte der Energieeinsparverordnung (EnEV) zum Heizwärme- und Trinkwasserwärmebedarf wird das Thema Niedrigtemperatur wichtiger, da den erneuerbaren Energiesystemen wie Wärmepumpen und Solarthermie zumindest im Neubau eine immer größere Rolle zuteil werden wird. Gebläsekonvektoren sind damit nicht nur in Verbindung mit modernen Brennwertkesseln und Heizflächen interessant, sondern auch in Kombination mit regenerativen Systemen wie reversiblen Wasser-Luft-Wärmepumpen.
Gebläsekonvektoren für die schnelle Erwärmung
Bei herkömmlichen Heizkörpern ist die Konvektion stark abhängig von der Heizmittelübertemperatur. Mit sinkendem Vorlauf nimmt die natürliche Konvektion und damit die Leistung ab. Soll bei einer abgesenkten Systemtemperatur die gleiche Leistung mit einem herkömmlichen Heizkörper erreicht werden, muss die Fläche also stark vergrößert werden. Aufgrund des oftmals begrenzt zur Verfügung stehenden Platzangebots ist dies allerdings nur bedingt möglich.
Deshalb empfehlen sich Gebläsekonvektoren überall dort, wo eine hohe Leistung benötigt wird oder eine schnelle und/oder spontane Erwärmung gefragt ist. Ein anderer Aspekt ist die optionale Kühlfunktion der Gebläsekonvektoren. Moderne Wärmepumpensysteme sind heute oftmals mit einer passiven Kühlfunktion ausgestattet, was grundsätzlich die Möglichkeit schafft, eine Raumkonditionierung – wenn auch in Grenzen – durchzuführen. Die Kühlenergie wird dafür direkt den Erdsonden entnommen und über einen Wärmeübertrager ins Netz eingespeist.
Gebläsekonvektoren können wie gewohnt unterhalb des Fensters angebracht werden. Es kann aber auch eine freie, sogar raummittige Position gewählt werden, sofern die Wärmeabgabe gleichmäßig in den Raum erfolgt. Wenn als Raumheizung verwendet, sollte der Warmluftstrom möglichst nahe am Fußboden einströmen. Außerdem sollte er nicht störend für die Nutzer sein. Für den Einsatz „Kühlung“ mit Unterschreitung des Taupunkts sollten die Geräte möglichst so im Raum positioniert werden, dass das anfallende Kondenswasser ohne eine Kondensatpumpe in das Abwassersystem des Gebäudes fließen kann.
Die Dimensionierung erfolgt anhand der benötigten Heiz- bzw. Kühlleistung des Raumes. Die Gebläsestufe wird dabei meist im mittleren Bereich als Ansatzpunkt gewählt, doch variiert das individuell. Einige Hersteller bieten entsprechende Berechnungsprogramme auf ihrer Website an.
Installation gebläseunterstützter Systeme
Für die Installation gebläseunterstützter Systeme ist eine Spannungsversorgung für das Gebläse und die Regelung notwendig. In der Praxis ist das insbesondere in der Renovierung nicht immer gegeben. Wird zudem eine Konditionierung mittels Erdsonden (passive Kühlung) geplant, ist eine spezielle Regelung erforderlich, die eine Taupunktunterschreitung vermeidet. Ist der Kühlvorlauf zu kalt, so muss wärmeres Rücklaufwasser beigemischt werden. Bei der Unterschreitung des Taupunktes muss nicht nur der Gebläsekonvektor mit einer Tauwasserwanne und einem Abfluss, sondern auch das gesamte Rohrleitungssystem mit einer dampfdiffusionsdichten Isolierung versehen werden.
Generell gilt bei allen Niedertemperatur- und Kühlsystemen, dass die Spreizung relativ niedrig ist. Dies ist bei der Dimensionierung der Rohrleitungen, Pumpen und Ventile zu beachten. Schall und Geräuschentwicklung bilden gerade im Wohnbereich ein nicht zu unterschätzendes Thema. Der Fachmann sollte darauf achten, unter welchen Prüfbedingungen ein Anbieter hier seine Werte ermittelt hat (zum Beispiel in welchem Abstand der Schalldruckpegel gemessen wurde).
Bedienung und Regelung der Konvektoren
Die Bedienung und Regelung der Konvektoren gestaltet sich je nach Hersteller unterschiedlich. So ist beispielsweise der E2 von Cosmos mit einem Touchpad-Regelpaneel ausgestattet, über das die Individualfunktionen des Heizkörpers eingestellt werden können. Die Hauptregelfunktion des Heizkörpers übernimmt immer der Thermostatkopf. Das Gebläse kann, es muss aber nicht immer in Funktion sein.
Bei Kampmann kann das Bedienteil der Regelung in das Gehäuse integriert oder auch separat zur bauseitigen Montage mitgeliefert werden. Es kann zum Beispiel unter dem Lichtschalter angebracht werden. Zudem bietet die Regelung die Möglichkeit, über optionale Schnittstellenkarten auf GLT-Systeme wie ModBUS, BACnet, Lon, KNX etc. zu kommunizieren.
Bei Zehnder erkennen innen liegende Sensoren das Erreichen der gewünschten Temperatur. Sie schalten die Lüfter dann unabhängig von der gewählten Betriebsstufe ab. Auch bei Viessmann und Jaga ist das ähnlich: Ein Mikroprozessor misst und verarbeitet ständig die Raum- und Wassertemperatur. Durch das Bedienen der Boosttaste kann ein ungeheizter Raum sehr schnell aufgeheizt werden.
Beim Powerkon NT und Venkon EC von Kampmann beispielsweise können Betriebszeiten einprogrammiert werden, in denen die Raumtemperatur abgesenkt wird, zum Beispiel in der Nacht. Im Kühlbetrieb lassen sich Fensterkontakte oder Bewegungsmelder einbinden, die den Kühlbetrieb nur bei tatsächlichem Bedarf oder geschlossenen Fenstern freigeben. Zudem ermöglicht eine „Powerstufe“ ein Schnellheizprogramm für den Raum. Im Normalprogramm versucht die Regelung mit einer möglichst geringen Drehzahl des Ventilators zu operieren, um die Schallemittierung möglichst gering zu halten.
Der Vido von Rettig kann sowohl als Stand-alone-Version eingesetzt werden als auch in der zentral gesteuerten Version für Gebäudeautomation. Viessmanns Tieftemperaturheizkörper und Jagas DBE-Heizkörper reagieren sensibel auf Temperaturveränderungen im Raum, zum Beispiel wenn die Sonne plötzlich scheint oder in der Küche Wärme produziert wird. Wird der Backofen eingeschaltet, reagiert das Thermostat sofort. Selbst wenn der Geschirrspüler arbeitet, registriert das der Heizkörper.
Zehnders Nova Neo verspricht durch einen integrierten Filter eine bessere Lufthygiene. Der Filter reinigt die durchströmende Luft, wodurch Staubaufwirbelung im Raum sowie Ablagerungen an den Ventilatoren verringert werden sollen. Verdeckt angeordnet, lässt sich der Filter mit wenigen Handgriffen entnehmen und reinigen. Der E2 von Cosmo besitzt einen „Summerbreeze-Effekt“: Die Ventilatoren senken an heißen Tagen im Sommer die Raumtemperatur. Glen Dimplex bietet mit seinem SRX die gemeinsame Regelbarkeit mehrerer Konvektoren über Master-Slave-Funktion an.
Wende bedeutet Neues
Mit der Energiewende haben sich nicht nur neue Möglichkeiten der Wärmeerzeugung ergeben, sondern auch bei der Wärmeverteilung bieten sich nun Alternativen an. Installateuren eröffnet sich damit ein weiteres Kompetenzfeld, auf dem sie individuell den Kunden beraten können. Gebläsekonvektoren können gut mit Niedrigtemperatursystemen kombiniert werden. Stromspeicheröfen könnten im Zuge der Frage nach weiteren Verbrauchsmöglichkeiten selbst erzeugten Solarstroms eine Renaissance erleben. Jedenfalls können sie im Rahmen von Power-to-Heat eine Alternative sein, die zumindest in Erwägung gezogen werden sollte.
Korrekturhinweis: In einer früheren Version des Beitrages war hier von modernen "Nachtspeicheröfen" die Rede. Die modernen Elektrospeicheröfen haben aber in ihrer Funktion wenig bis nichts mit den Nachtspeicheröfen früherer Tage zu tun. Daher wurde der begriff durch "Elektrospeicheröfen" ersetzt. Die Redaktion.
Dieser Beitrag von Dittmar Koop ist zuerst erschienen in der Ausgabe 16/2017 der Zeitschrift SBZ. Dittmar Koop ist Dipl.-Ing. der Raum- und Stadtplanung (TU). Seit 2004 arbeitet er als freiberuflicher Fachjournalist für erneuerbare Energien. Seine Schwerpunkte sind Bioenergie, Photovoltaik und die Solarthermie.
