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Elektroheizung: Alles Elektro – alles auf Wärme?

Grundlagen und Diskussionspunkte zum elektrischen Heizen.

Eine Leinwandheizung über einem Sofa.
Quelle: Heat Invention GmbH
Infrarotheizung mit individueller Optik.

In der Wärme- und Elektrotechnik sind Elektrowärme/-heizung sowie Strahlungsheizungen Sammelbegriffe. Sie stehen für Wärme und thermische Energie, die aus dem Umwandeln elektrischer Energie hervorgehen. Dem Ganzen liegt das Stromwärmegesetz zugrunde.

Seit Beginn des 20. Jahrhunderts spielt das Heizen mit Elektro-(E)-Wärme eine Rolle – von einzelnen Haushaltsgeräten über Nachtspeicheröfen bis hin zu industriellen Anwendungen. Zu den Gründen für E-Wärme und gegen das Beheizen durch Verfeuern eines Brennstoffs, wie Holz, Kohle, Gas oder Öl, gehören überschaubare Investitions- und Wartungskosten, leichte Handhabung und Raumgewinn. Nachteil der E-Wärme kann ein relativ niedriger Gesamtwirkungsgrad sein, der gegebenenfalls durch Umwandlungsverluste im Vorfeld verursacht wird: Für thermische Kraftwerke gilt, dass Wärme zum Transport erst in elektrische Energie umgewandelt werden muss, um dann in der E-Heizung wieder zurück in thermische Energie überführt zu werden. Im Gebäude selbst sind Umwandlungsverluste ab dem Stromanschluss nahezu nicht vorhanden (Ausnahme: Nachtspeicherofen). Hier haben fossile Heizungssysteme unter anderem durch den Wärmetransport im Haus, den Brenner und den Schornstein einen Umwandlungsverlust.

Für den Einsatz der Anlagentechnik sind insbesondere die Paragraphen 10 bis 15 der Energieeinsparverordnung (EnEV) 2014 zu erfüllen. Die aus der ersten Wärmeschutzverordnung 1977 weiterentwickelte EnEV zielt auf eine Reduzierung des Energieverbrauchs von Gebäuden ab. Sie definiert derzeit noch den Mindestrahmen für energiesparendes Bauen in Deutschland, was bald das Gebäudeenergiegesetz (GEG) übernimmt. Mit diesem setzt Deutschland die EU-Gebäuderichtlinie in nationales Recht um. Das heißt, ab 2021 dürfen ausschließlich solche Gebäude errichtet werden, die einen sehr geringen Energiebedarf haben und diesen überwiegend selbst decken (Niedrigstenergiegebäude). Darüber hinaus planen die deutsche Regierung und die EU, Neuanschaffungen von Öl- und Gasfeuerungsanlagen bei Neubauten und Sanierungen zu verbieten. Diese Art, CO2-Emissionen zu reduzieren, ist in Deutschland für das Jahr 2030 avisiert. In Norwegen, den Niederlanden und in Dänemark ist sie bereits umgesetzt.

Bei einem Haushalt macht das Heizen zwischen 40 bis 80 Prozent des Energiebedarfs aus – abhängig vom Baujahr, einer Sanierung und dem Berücksichtigen der Warmwasserbereitung. Die benötigte Wärme kann über die Bauteilflächen abgegeben oder aufgenommen werden, zum Beispiel über eine Fußboden-, Wand-, Decken- oder Bauteilheizung (Betonkernaktivierung). Diese arbeiten mit relativ niedrigen Temperaturen, weshalb sie sich für moderne Brennwerttechnik, Wärmepumpenheizungen und Solarthermie eignen. Beim Installieren einer Flächenheizung/-kühlung müssen die Gewerke stets direkt ineinandergreifen. Dazugehörige Praxishilfen bietet der Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen e.V. (BVF).

Die Tabelle zeigt Beispiele für die Anwendung von elektrisch gewonnener Wärme in Gebäuden.
Quelle: Bettina Gehbauer-Schumacher
Beispiele für die Anwendung von elektrisch gewonnener Wärme in Gebäuden.

Wie seine beim ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden in Auftrag gegebene Studie "Energetische Effizienz und Wirtschaftlichkeit der elektrischen Direktheizung" zeigt, ist eine elektrische Flächenheizung als Vollheizung bei sehr gut gedämmten Gebäuden eine Alternative zu anderen gängigen Heizsystemen. Dabei kann ihr Potential voll ausgeschöpft werden, wenn die E-Heizung Teil einer Technologiekombination ist: Hoher baulicher Wärmeschutz (KfW-55-Haus oder besser), PV-Anlage mit möglichst großer Kollektorfläche, elektrische Flächenheizung und eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung sowie ein Stromspeicher für den Fall, dass der KfW-Standard "40 Plus" erreicht werden soll. Grundsätzlich gilt, zuerst eine thermische Optimierung (Neubau) oder Sanierung (Bestand) vorzunehmen und anschließend das Heizsystem auszuwählen. Die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) sowie das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) fördern finanziell Maßnahmen zur Energieeffizienz und zur modernen Anlagentechnik.

Technische Grundlagen

Wärme beruht auf ungeordneten Bewegungen von Atomen und Molekülen. Sie erzeugen elektromagnetische Strahlung. Ihre Wellenlänge hängt vom Energieniveau der Teilchen ab. Wärmestrahlung liegt im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, also in einem Wellenlängenbereich von etwa 700 nm bis 1 mm. Die emittierte Strahlungsleistung hängt dabei stark von der Temperatur ab. Sie steigt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur. Eine Verdopplung der absoluten Temperatur führt also zu einer 16-fachen Strahlungsleistung (Stefan-Boltzmann-Gesetz).

Wärme kann durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion übertragen werden. Bei Letztgenannter führen strömende Medien, zum Beispiel Luft oder Wasser, thermische Energie mit sich. Jede Heizung produziert Strahlungs- und Konvektionswärme (Lufterwärmung). Bei konventionellen Heizkörpersystemen beträgt der Anteil der Konvektion meist rund 70 Prozent, der der Strahlung 30 Prozent. Dieser ist für die Wirksamkeit eines Flächenheiz- und Infrarot-Systems entscheidend und kann bei einer Oberflächentemperatur zwischen 50 und 100 °C maximal 60 Prozent ausmachen. Sie stellen nach dem Planckschen Strahlungsgesetz den derzeit oberen theoretisch machbaren Strahlungsanteil dar. Die aktuell verwendeten Oberflächenmaterialien lassen technisch bedingt nur einen maximalen Strahlungsanteil von etwa 54 Prozent zu, was nur durch eine neu zu erforschende Zusammensetzung von Oberflächenmaterialien erzielt werden kann. Dazu gehören zum Beispiel Glas und Alu-Komposit-Materialien.

Die Definition von Infrarotheizungen besagt, dass bei ihnen ein Strahlungsanteil von mindestens 40 Prozent vorhanden sein muss. Daher gibt es viele Infrarotheizungen, die über diesen Wert nicht nennenswert hinauskommen. Angestrebt werden sollten gleiche Anteile für Konvektion und Strahlungswärme. Damit kann nämlich ein optimales Verhältnis zwischen ausreichender Strahlungswärme und dafür benötigtem Stromverbrauch entstehen. Er ist vor allem von der verwendeten Technik abhängig. Denn so kann zwar der Strahlungsanteil bei 50 Prozent liegen. Wenn aber die Oberflächentemperatur zu hoch ist, sinkt die Effizienz, bestehend aus Stromverbrauch und Heizleistung, signifikant.

Übersicht über Strahlungsbereiche.
Quelle: Heat Invention GmbH
Wärmestrahlung: Die für den Menschen optimal gefühlte Temperatur liegt im mittleren Teil des Infrarotstrahlungsbereichs (um 10 μm).

Die Grafik zeigt die Strahlungsverteilung von Infrarotheizungen und Photonenheizungen.
Quelle: Heat Invention GmbH
Strahlungsverteilung von Infrarotheizungen und ihrer Weiterentwicklung, der Photonenheizung – jeweils basierend auf der Leistung eines 500-Watt-Heizelements, dessen Strahlungs- und Konvektionsanteil 50 Prozent beträgt, die reine Strahlungsleistung somit bei beiden Elementen je 250 W aufweist.

Lösungswege

E-Heizungen gibt es in verschiedenen Formen. Sie sind flexibel einsetzbar, wofür meist nur ein – oft schon vorhandener – Stromanschluss notwendig ist. Während des Betriebs darf der Heizkörper auch dieses Systems nicht verdeckt sein, um einwandfrei und ohne Brandgefahr funktionieren zu können.

Im Unterschied zu Konvektionsvorgängen erzeugt Wärmestrahlung keine erzwungene Luftströmung, die Staub oder andere Partikel verwirbelt. Davon profitieren Asthmatiker und Allergiker. Zudem empfinden Menschen bei gleicher Lufttemperatur mehr Wärme, wenn diese durch Strahlung übertragen wird. Dies machen sich Infrarot-(IR)-Strahler und -Heizungen zunutze. Ihre langwelligen Strahlen ähneln denen des sichtbaren Lichts. IR-C (elektromagnetisches Spektrum 300 μm bis 1 mm) dringt – im Gegensatz zur UV- oder Röntgenstrahlung – nur wenig tief in die Haut ein und verbessert damit die Durchblutung, was für den Kreislauf gut ist. Eine IR-Heizung steht zudem für trockene Wände. Sie kann auch die Luftfeuchtigkeit ausgewogen halten, was ein vermindertes Erkältungsrisiko und weniger Rötungen und Reizungen der Augen mit sich bringt. Ebenso wichtig ist, alte Anlagen jeder Art überprüfen und deren gesundheitsgefährdende Bestandteile, wie Asbest, zügig entfernen zu lassen.

IR-Strahlung erwärmt innerhalb ihres Strahlungsbereichs alles, was ihre Strahlung absorbiert (z. B. Möbel, Wände, Böden, Menschen). Dies sorgt für ein konstantes Temperaturniveau, weshalb IR-Heizungen prinzipiell effizient arbeiten. Ausnahme hiervon sind schlecht gedämmte Gebäude. Auch die Anzahl der in einem Raum vorhandenen Objekte hat Einfluss auf die Heizwirkung und muss bei der Planung einbezogen werden. Denn für die Gesamtbetrachtung bilden die Ausstattung, die Anzahl und Dämmung der (Außen-)Wände, die Größe und der Zuschnitt eines Raums sowie die Leistung der Heizung eine Funktionseinheit.

Wenn das elektrische Heizelement auch nach Abschalten noch für eine gewisse Zeit Strahlungswärme abgibt, spart das Kosten. Moderne Steuerungseinheiten berücksichtigen dies bei der Heizphase. Eine E-Heizung kann eine bestehende Anlage ergänzen. Zur Primärheizung wird sie aber, wenn zum Beispiel eine vorhandene Fußbodenheizung wegen der von der E-Heizung erzeugten Wärme nicht mehr "anspringt".

IR-Heizungen strahlen Wärme, je nach Wellenbereich, mit einer gewissen Trägheit und Reichweite ab. Die für den Menschen optimale Wärme liegt im langwelligen IR-Bereich. Hier wird eine dauerhaft als angenehm empfundene Wärme erzeugt, siehe DIN EN ISO 7730 "Ergonomie der thermischen Umgebung" (sog. "Behaglichkeitsnorm"). Der Großteil der IR-Heizungen bespielt den kurzwelligeren IR-Bereich. Sie strahlen damit auf kurze Entfernungen relativ viel Wärme ab, wohingegen ab etwa zwei Meter Abstand wenig Wärme spürbar ist. Ein Beispiel dafür ist der "Heizpilz" im Außenbereich von Cafés. Räumlichkeiten, die eine gleichmäßige Wärmeverteilung vorweisen sollen, erfordern darum entweder mehrere Heizelemente im kurzwelligeren oder eine Heizung im langwelligeren IR-Bereich. Qualitätsprodukte kennzeichnet eine lange Lebenszeit ohne Funktionsverluste. Für den Anwender ist die Produktqualität anhand der in der Konformitätserklärung aufgeführten relevanten technischen Normen (DIN, EN, ISO) erkennbar. Diese wird zwingend benötigt, um das Produkt innerhalb der EU vertreiben zu dürfen.

Freitag, 02.10.2020

Von Bettina Gehbauer-Schumacher
Smart Skript – Fachkommunikation für Architektur und Energie