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.

Diskussionspunkt Elektrosmog

Ein elektrisches Feld entsteht dort, wo es elektrische Spannung gibt; ein magnetisches Feld bei Stromfluss. Das heißt, ein elektrisches Gerät wie eine E-Heizung erzeugt magnetische und elektrische Felder, wenn es seine Funktion erfüllt. Bei einem E-Heizkörper tritt folglich – abhängig von seiner Größe und der Höhe der gewünschten Temperatur – niederfrequenter Elektrosmog während des Heizens auf. Hinweis: Auch bei E-Heizungen mit metallischen Leitern fällt meist etwas Elektrosmog an, ebenso bei einer ungenutzten Steckdose. Infrarotstrahlung stellt hingegen keinen Elektrosmog dar.

Ein ausgeschalteter E-Heizkörper kann Spannung führen, wenn das Thermostat nur einpolig abschaltet. Ebensolches gilt für den Stecker, wenn er nicht mit der Phase, sondern dem Nullleiter der Heizung verbunden ist: Kann dieser Leiter nicht vom Thermostat getrennt oder abgeschaltet werden, steht die Heizung kontinuierlich unter Spannung und verbreitet somit ein elektrisches Feld. Zudem sind die Kabel ab dem Hausanschluss bis zur Heizung zu beachten, denn sie führen dauerhaft Spannung und werden deshalb in der Regel separat verlegt.

Alle in Europa verkauften E-Geräte müssen gesetzlich vorgeschriebenen Kriterien genügen. In Deutschland ist dies in Produktnormen auf der Basis des Produktsicherheitsgesetzes (ProdSG) geregelt. Soweit hier auch eine Beurteilung der möglichen gesundheitlichen Wirkungen der elektrischen und magnetischen Felder erfolgt, wird dafür meist die Empfehlung des Rats der Europäischen Union herangezogen. Auch die in der 26. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) festgelegten Grenzwerte können zur Risikobewertung herangezogen werden. Allgemein gilt: Je größer der Abstand zu einem E-Gerät desto weniger Einfluss nehmen seine elektrischen und magnetischen Felder auf ihr jeweiliges Umfeld.

Eine Übersicht der verschiedensten Risikofaktoren, die in Schlaf- und Wohnräumen, an Arbeitsplätzen und auf Grundstücken sachverständig untersucht, gemessen, ausgewertet und schriftlich protokolliert werden können, bietet der Standard der Baubiologischen Messtechnik, SBM-2015. Eine intelligente Planung und technische Hilfsmittel können Belastungen senken. Für eine E-Heizung heißt das zum Beispiel, sie allpolig spannungslos zu schalten, wenn die Sicherung nach dem Heizen ausgeschaltet wird. Alternativ kann ein Netzfreischalter dafür sorgen, dass die E-Heizung erst Spannung führt, wenn sie auch gebraucht wird.

Fazit und Ausblick

Ein Großteil der Elektroinstallationen ist mehr als 40 Jahre alt, was ihre Zuverlässigkeit und Sicherheit im Betrieb reduziert. Anlass für eine verpflichtende Überprüfung ist bislang die Inbetriebnahme von neuen Anlagen (z. B. PV, Speicher, Wärmepumpe, Blockheizkraftwerk, Ladepunkt für E-Fahrzeuge) sowie ein Eigentümerwechsel oder eine größere Renovierung des Gebäudes. Wenn hier eine E-Heizung eingesetzt wird, sollten ihre Heizelemente Wärme in alle Richtungen verteilen können. Überdies kann ihre Regelung in Verbindung mit moderner Technik und einem bewussten Umgang mit Energie den Verbrauch reduzieren und den Komfort steigern.

Bei der Gestaltung der Heizkörper sind individuelle Wünsche realisierbar, wenn sich beispielsweise eine IR-Heizung bedrucken und sich damit ästhetisch in ein Gebäude integrieren lässt. Beliebter werden auch sogenannte Hybridheizungen, die mit IR-Strahlen und erzwungener Luftzirkulation arbeiten, um Räume schnell zu erwärmen. Weil E-Heizungen für ihr Funktionieren Strom benötigen, geht von ihnen – wie von allen Elektrogeräten – eine Form von Elektrosmog aus. Bei smarten Bedienungsmöglichkeiten ist wiederum zu beachten, dass zum Beispiel ein Mobiltelefon eine aktive Sendeeinheit ist, die Strahlung emittiert. Die Heizung ist eine solche Einheit nur, wenn sie über WLAN oder Bluetooth ferngesteuert wird. Ansonsten ist die 50-Hz-Netzsspannung zugrunde zu legen. Bei der Auswahl sollte die Einordnung gemäß EMV und EMVU eine Rolle spielen. Überdies gilt es, die Vor- und Nachteile individuell und auf die jeweilige Situation bezogen abzuwägen.

Die Grafik gibt eine Übersicht auf Einflussfaktoren für das Heizsystem.
Quelle: Heat Invention GmbH
Wärmebedarf von Gebäuden – Einflussfaktoren für das Heizsystem.

Was bedeutet "elektromagnetisch verträglich"? Zwei Dinge!

Die EMV-Richtlinie 2014/30/EU definiert EMV als "Elektromagnetische Verträglichkeit". Das ist die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten (hinreichende Störfestigkeit), ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere Betriebsmittel in derselben Umgebung unannehmbar wären (Begrenzung von Emissionen).

Für Wohn-, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe gilt für die Störfestigkeit die Norm BS EN IEC 61000-6-1:2019-02-25 und die DIN EN 61000-6-3 Berichtigung 1:2012-11; VDE 0839-6-3 Berichtigung 1:2012-11 für die Störaussendung. Das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln (EMVG) setzt die EMV-Richtlinie in deutsches Recht um.

Elektromagnetische Wellen, wie zum Beispiel Licht, haben ebenfalls Einfluss auf Lebewesen und die Natur. Die EMV ist aber nicht mit der elektromagnetischen Verträglichkeit zur Umwelt (EMVU) gleichzusetzen. Sie befasst sich mit den Wirkungen elektromagnetischer Strahlung auf Umwelt und Menschen und legt dazu Grenzwerte zur Gewährleistung der Sicherheit und Verhinderung möglicher gesundheitlicher Schäden fest.

Die stetige Zunahme an elektronischen Geräten führt zu einem erhöhten (Stör-)Pegel und einer größeren Wahrscheinlichkeit, eine Störung vorzufinden. Zum Vermeiden von Störungen dient eine EMV-gerechte Auslegung von Anlagen oder Geräten. Mit einem Konformitätsbewertungsverfahren müssen Hersteller von Betriebsmitteln nachweisen, dass ihre in Verkehr gebrachten Geräte den Anforderungen der Richtlinie 2014/30/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 26. Februar 2014 (Anhang II) genügen. Dazu gehört eine CE-Kennzeichnung. CE ist die Abkürzung für "Communauté Européenne" (Europäische Gemeinschaft) und "Conformité Européenne" (Europäische Konformität). Ohne CE-Zeichen darf kein Produkt in der EU in den Verkehr gebracht und in Betrieb genommen werden.

Wenn Menschen Elektrosmog ausgesetzt sind, kann dies Einfluss auf biologische Prozesse im Körper haben. Mögliche Auswirkungen sind dann: Konzentrationsschwäche, Schlafprobleme, Störung des vegetativen Nervensystems, Schwächung des Immunsystems, Stoffwechselstörungen, psychische Belastungen und damit einhergehender Stress.

Mittwoch, 16.09.2020