Architekt Christoph Faltenbacher hat seiner Frau und sich einen Traum erfüllt: Im oberfränkischen Naila haben sie ein Haus gebaut, das keine Wünsche offen lässt. Mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (Alpha Innotec) und einer Photovoltaikanlage plus Batteriespeicher sind die Faltenbachers fast komplett unabhängig von Energie aus dem Stromnetz.
Seit rund drei Jahren heizt Faltenbacher nun mit seiner Wärmepumpe. Mit Gesamtkosten von knapp über 1.000 Euro im Jahr bei Strombezug aus dem öffentlichen Netz liegt er deutlich günstiger als mit einer herkömmlichen Heizung. Da allerdings der größte Teil seines Stroms von der Photovoltaikanlage kommt, liegen die tatsächlichen Betriebskosten nur bei wenigen Hundert Euro im Jahr. Gegenüber einer Gasheizung spart die Wärmepumpe jährlich 1.492 Kilogramm Kohlendioxid ein, gegenüber Öl rund 2.831 Kilogramm.
Ein Showroom für Fahrräder
Zweites Beispiel: Der Fahrradhändler Otto Freihart heizt und kühlt seinen Showroom mit einer Erdwärmepumpe, die 45 Kilowatt (thermisch) leistet. Die Wärme stammt aus einem großflächigen Erdkollektor unmittelbar neben seiner Halle.
Um die klimafreundliche Lösung perfekt zu machen, ließ der Bauherr zusätzlich auf seinem Hallendach eine Photovoltaikanlage mit 40 Kilowatt Leistung (elektrisch) installieren. Daraus bezieht er den Löwenanteil des Stroms für die Wärmepumpe – und deckt weitgehend seinen Energiebedarf.
Wärmekosten gesenkt
Den Gesamtwärmebedarf des Fahrradhändlers hat sein Heizungsexperte Thomas Roth mit rund 60.000 Kilowattstunden im Jahr veranschlagt. Bei einer Laufzeit der Wärmepumpe von Alpha Innotec von 1.372 Stunden kommen jährliche Heizkosten von 2.620 Euro zusammen, inklusive Grundpreis und Wartung.
Eine Gasheizung würde mit deutlich mehr als 6.000 Euro zu Buche schlagen. Und: Gegenüber einer Gasheizung spart die Wärmepumpe rund 8.076 Kilogramm Kohlendioxid pro Jahr ein, gegenüber einer Ölheizung sogar 13.490 Kilogramm.
Foto: Alpha Innotec
Reihenhaus mit acht Wohnungen
Drittes Beispiel: Im bayerischen Herzogenaurach steht ein Reihenhaus mit acht Wohneinheiten. Sie wurden als Niedrigenergie- und Energiespeicherhäuser konzipiert. Wärmepumpen im Verbund mit Solardächern, Speichern und ausgeklügelter Regelungstechnik reduzieren den Bedarf von Strom aus dem Netz drastisch. Und machen fossile Energieträger komplett obsolet. Auch hierfür hat Alpha Innotec die Wärmepumpen geliefert.
Quartier wird erforscht
Neben dem praktischen Ziel, energieeffiziente Wohngebäude zu erstellen, wollte die Gemeinde ein Modell für die nachhaltige Energieversorgung von Wohnquartieren schaffen. Außerdem dient das Quartier als Forschungsprojekt der Technischen Hochschule in Nürnberg.
Die Wissenschaftler wollen wissen, wie energieeffizientes Bauen aussehen kann. Zugleich wollen sie wissenschaftlich fundierte Impulse setzen – für die umweltfreundliche Erzeugung, Speicherung und Versorgung mit Energie. Dazu gehört ein Regelkonzept, das Energieflüsse, Verbrauch und Speicherung steuert.
Foto: Alpha Innotec
Foto: Alpha Innotec
Wärmepumpen und Fußbodenheizungen passen sehr gut zusammen.
Wärme bietet größten Hebel
Vor allem geht es darum, den Energieverbrauch von modernen Wohnungen zu reduzieren. Laut Umweltbundesamt werden rund 66 Prozent der in Privathaushalten verbrauchten Energie für Heizung eingesetzt, weitere 16 Prozent für die Aufbereitung von Warmwasser, insgesamt also 82 Prozent. Damit ist klar: Der mit Abstand größte Hebel, um Energie einzusparen, ist die Wärme.
Beheizt werden die acht Reihenhäuser in Herzogenaurach über eine gemeinsame Energiezentrale. Dort arbeiten zwei Sole-Wasser-Wärmepumpen mit jeweils 16 Kilowatt thermischer Leistung. Ihre Umweltwärme beziehen sie aus sieben Erdsonden, jede knapp 100 Meter tief.
Drehzahl nach Bedarf
Die Invertersteuerung sorgt dafür, dass sich die Drehzahl der Kompressoren in den Wärmepumpen automatisch am jeweils aktuellen Bedarf ausrichtet. Dadurch laufen die Aggregate stets im optimalen Betriebspunkt. Das verringert ihren Energiebedarf und erhöht die Lebensdauer.
Dank der Erdwärme erreichen diese Wärmepumpen einen hohen COP (Coefficient of Performance). Dieser Wert gibt das Verhältnis von Wärmeleistung und der erforderlichen Antriebsenergie an, im Fall der Wärmepumpe elektrischer Strom. Je höher der COP, desto höher die Effizienz. Die Geräte im Quartier machen aus einer Kilowattstunde Strom rund fünf Kilowatt Heizenergie, der COP liegt also etwa bei fünf.
88 Kilowatt vom Sonnendach
Den größten Teil des Stroms für die Wärmepumpen liefert eine Photovoltaikanlage mit rund 88 Kilowatt. Alle acht Häuser sind mit Fußbodenheizung ausgestattet, in vier Häusern wurden zusätzlich Deckenheizungen installiert. Die dezentrale kontrollierte Be- und Entlüftung mit integrierter Wärmerückgewinnung minimiert den Wärmeverlust und den Energiebedarf.
Warmwasser dezentral
Im Gegensatz zur Heizung ist die Versorgung mit Brauchwasser dezentral geregelt. Dazu verfügt jedes der Häuser über einen eigenen Warmwasser-Booster mit 200-Liter-Speicher und integrierter Wasser-Wasser-Wärmepumpe.
Die Heizungsanlage versorgt sie mit rund 18 Grad Celsius warmem Wasser. Diese Wärmeenergie nutzen sie, um das Brauchwasser auf bis zu 65 Grad Celsius zu erhitzen. Da die Booster sehr leise arbeiten, lassen sie sich problemlos innerhalb des Wohnraums betreiben.
Foto: Remco Gerritse
Direkte und indirekte Nutzung
Natürlich gehört es zum Gesamtkonzept, möglichst viel Sonnenstrom für die Eigenversorgung zu nutzen. Der Solarstrom wird entweder direkt oder indirekt genutzt, über Zwischenspeicherung in Lithium-Phosphat-Batterien mit insgesamt rund 39 Kilowattstunden.
Der Autarkiegrad eines Gebäudes hängt wesentlich von der Steuerung ab, weil sie die Verfügbarkeit und den Bedarf von Energie in Einklang bringt. Dazu haben die Nürnberger Wissenschaftler ein Regelkonzept entwickelt, das sich vor allem auf Verbrauchsdaten und Wetterprognosen stützt.
Regelung der Wärmepumpen
Wesentliches Element dieses Regelkonzepts ist die Betriebsführung der Wärmepumpen. Es ist so ausgelegt, dass die Wärmepumpen zu Zeiten laufen, zu denen die Solaranlage ihren sauberen Strom liefert. Die thermischen Speicher werden zur Überbrückung der Phasen verwendet, in denen kein Solarstrom vom Dach kommt.
Sobald die Solaranlage Strom liefert, erweitert die Regelung die Speicherkapazität automatisch über drei Hebel:
Umgekehrt setzt das Regelkonzept die Temperatur der thermischen Speicher niedrig an, wenn die Wärmepumpen ihren Betriebsstrom aus dem Netz oder aus der Batterie beziehen. In diesem Fall liegt die Höchsttemperatur im Pufferspeicher bei 35 Grad Celsius und im Trinkwasserspeicher bei 50 Grad Celsius.
Verschiedene Verbraucher
Die Regelungstechnik unterscheidet zudem zwischen unflexiblen Verbrauchern wie Haushaltsstrom, Ventilation, Technik oder elektrische Heizkörper im Bad. Flexible Verbraucher sind die Wärmepumpen und die Umwälzpumpen in der Wärmehydraulik.
Liefert die Solaranlage Strom, versorgt das System zunächst die unflexiblen Verbraucher. Ist deren Bedarf gedeckt und bleibt ein Stromüberschuss, laufen die Wärmepumpen an. Erst danach wird die Batterie beladen.
Bei Batteriebezug unterscheidet das System nicht zwischen flexiblen und unflexiblen Verbrauchern. In aller Regel sind dann allerdings die Wärmespeicher gut gefüllt, die Wärmepumpen müssen nicht arbeiten. Neben den Wasserspeichern mit insgesamt 2.800 Litern Fassungsvermögen dienen auch Betondecken und Ziegelwände als thermische Speicher.
Foto: Alpha Innotec
Passive Kühlung der Räume
Die Wärmepumpen können die Gebäude an heißen Sommertagen kühlen. Dazu führen sie Wärme über die Erdsonden ins Erdreich ab, in diesem Fall laufen lediglich die Umwälzpumpen, die Verdichter der Wärmepumpen sind ausgeschaltet.
Foto: Alpha Innotec
Zwei bis drei Grad Celsius
Diese passive Kühlung braucht nur wenig Energie. Damit lässt sich die Temperatur in den Wohnräumen um zwei bis drei Grad Celsius senken. Ein Teil der im Sommer über die Erdsonden abgeführten Wärme verbleibt im Erdreich und steht in der kalten Jahreszeit zur Verfügung.
Hottgenroth
ETU-Planer: Mit Planungssoftware HKLS im grünen Bereich
Die gesetzeskonforme und technisch korrekte Umsetzung der Energiewende im Heizkeller erweist sich als Herausforderung. Genügt der bald verpflichtende Heizungscheck, um Energie sowie Kosten zu sparen? Was gilt es beim hydraulischen Abgleich zu beachten? Wie decke ich beim Einbau von neuer Anlagentechnik das erforderliche Fachwissen aus anderen Gewerken kompetent ab? Eine Wärmepumpe oder Photovoltaikanlage beispielsweise benötigt auch Elektroinstallation.
Passgenaue und einfach zu erlernende Software bietet eine Lösung. So fördert die Hottgenroth Gruppe mit der TGA-Planungssoftware ETU-Planer gezielt die klimafreundliche Gebäudeplanung und energetische Bestandssanierung. Der ETU-Planer unterstützt bei der Beratung, Planung sowie bei der Berechnung, Visualisierung und Auslegung von grünen HKLS-Systemen. Zusätzlich ermöglicht HottCAD die schnelle Datenerfassung von Bestandsstrukturen – auch ohne umfassende CAD-Kenntnis. Die BIM-fähige Software für 3D-Gebäudemodellierung ist im ETU-Planer bereits integriert.
Das auf diese Weise erstellte Gebäudemodell erlaubt gewerkeübergreifend eine ganze Bandbreite von Funktionen. Von der einfachen und schnellen Auslegung über die detaillierte Anbindung und Berechnung von Rohr- sowie PV-Systemen bis hin zur automatischen Dokumentation.
Für eine klimaneutrale Wärmeversorgung gilt die Wärmepumpe als Schlüsseltechnologie. Aber lohnt bei einem bestehenden Heizsystem der Austausch oder reicht eine Einregulierung? Intuitive Softwareanwendungen wie Optimus ermöglichen schnell und einfach die Berechnung des hydraulischen Abgleiches von Heizkörpern und Fußbodenheizungen – herstellerspezifisch oder -unabhängig. In Optimus 3D Plus ergänzt der implementierte Wärmepumpen-Check die Beratung. Schnell wird veranschaulicht, ob die Vorlauftemperatur optimiert und ein Altgerät getauscht werden sollte. So schließen sich die Bewertung und Prüfung der Anlage nahtlos an die Berechnung des hydraulischen Abgleichs an.
Expertentipp
Wärmepumpe stärkt Autarkie
Nach Beobachtungen des Spezialisten Ulrich Konen aus Kempten liebäugeln immer mehr Hausbesitzer mit der Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik. „Vielen Kunden geht es meist gar nicht um die Wirtschaftlichkeit, sondern um ihre Autarkie“, erzählt er. „Das nimmt extrem an Fahrt auf.“
Konen ist zudem Markenpartner von Alpha Innotec. Er sagt: Bei richtiger Anlagenplanung ist ein Autarkiegrad von 65 Prozent erreichbar. Überschüsse von Solarstrom können in eine Stromcloud eingespeist und bei Bedarf sehr günstig angezapft werden.
Unter anderem hat Ulrich Konen unlängst ein Haus aus den 1960er-Jahren mit einer Wärmepumpe ausgestattet. Dessen Besitzer heizt seither sein Eigenheim mit rund 120 Quadratmetern Wohnfläche für weniger als 700 Euro im Jahr. Seine nebenan wohnenden Eltern mit der gleichen Bausubstanz müssen mit ihrer Ölheizung rund 1.500 Euro jährlich aufbringen. Andere Nachbarn in der Siedlung bezahlen für Fernwärme bis zu 3.000 Euro im Jahr.
Selbst ein Wohnhaus aus dem 18. Jahrhundert hat der Heizungsexperte mit einer Erdwärmepumpe ausgestattet – mit dem Segen des Denkmalschutzes und staatlichen Fördermitteln.
Technik der Wärmepumpen
Drei Wege für die Umweltwärme
Grundsätzlich gibt es drei unterschiedliche Systeme, um Wärme aus der Umwelt zu nutzen. Sie nutzen: Umgebungsluft (Luft-Wasser-Wärmepumpe), Brunnenwasser oder Abwässer (Wasser-Wasser-Wärmepumpe) oder Erdwärme (Sole-Wasser-Wärmepumpe).
Luft-Wasser-Wärmepumpen: Sie sind die am häufigsten installierten Systeme. Die Verdampfer werden meist außerhalb des Gebäudes platziert (Splitgeräte), die Verdichter im Innern. Sie beziehen die Umweltwärme aus der Außenluft.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen: Sie holen ihre Energie meist aus dem Grundwasser, zum Beispiel über eine Brunnenanlage mit Förder- und Schluckbrunnen. Wasser-Wasser-Wärmepumpen kommen relativ selten zum Einsatz.
Sole-Wasser-Wärmepumpen: Die Erdwärmepumpen nutzen Wärme aus dem Erdreich, wo die Temperatur ungefähr zwischen zehn und zwölf Grad Celsius liegt. Die Wärme wird entweder über Bohrsonden (80 und 120 Meter), Erdwärmekörbe oder flächige Erdkollektoren bereitgestellt. Die Flächenkollektoren bestehen aus hydraulischen Röhren und werden unter der Frostgrenze verlegt. Erdwärmepumpen arbeiten praktisch geräuschlos und sind sehr langlebig. Eine Bohrung ist allerdings genehmigungspflichtig und nur möglich, wenn es keine Einwände der Geologen gibt. In Wasserschutzgebieten sind Erdbohrungen nicht erlaubt. Ein Erdkollektor hingegen erfordert genügend freie und unbebaute Fläche.
PVT-Kollektoren
Abwärme aus den Solarmodulen nutzen
Eine relativ junge Technologie bringt solegeführte Wärmepumpen und Photovoltaik zusammen: PVT steht für Photovoltaik plus Thermie. Das Prinzip ist einfach: PVT-Module bestehen aus Solarmodulen, auf deren Rückseite sich ein Wärmetauscher befindet, zum Beispiel mit Kühlmittel gefüllte Kupferrohre. Diese Wärmetauscher leiten die entstehende Wärme ab und nutzen sie für eine Wärmepumpe.
Das hat zwei Effekte: Die Solarmodule werden gekühlt, das erhöht vor allem an heißen Tagen ihren Wirkungsgrad. Und: Die erwärmte Sole dient der Wärmepumpe als Energiequelle.
Nach heutigem Stand reicht die von den PVT-Modulen kommende Wärme allerdings an sehr kalten Tagen nicht, um die Heizlast eines Gebäudes zu decken. Deshalb werden PVT-Systeme plus Wärmepumpe bislang in der Regel bivalent eingesetzt – also mit weiteren Wärmeerzeugern kombiniert. Das kann beispielsweise ein Heizstab sein, der sich bei Bedarf zuschaltet.
