Erfahrungen mit Wärmepumpen im Altbau

In der Bundesrepublik werden nahezu 25% des Primärenergieverbrauchs bzw. mehr als 35% des Endenergieverbrauchs pro Jahr zur Raumheizung und Warmwassererzeugung benötigt, der zu 85% von fossilen Brennstoffen, vor allem Erdgas und Heizöl, gedeckt wird. Das entspricht ca. 25% der gegenwärtigen CO_&sub2;-Emissionen.

Im letzten Jahrzehnt wurden zwar durch bauliche Maßnahmen eine Reduzierung des Raumwärmebedarfs und durch Verbesserung der konventionellen Heizungssysteme Erfolge im Neubausektor erzielt. Doch ist noch immer das mit Abstand größte Potenzial für weitere Energieeinsparungen im Altbaubestand mit seinen nahezu 40 Millionen Wohnungseinheiten gegeben, davon allein ca. 15 Millionen Ein- und Zweifamilienhäuser.

Gemäß Bild 1 sind 75% aller Gebäude in Deutschland vor 1978 erbaut und damit energetisch gesehen Altbauten. Sie verbrauchen ca. 85% der gesamten Heizenergie in diesem Verbrauchssektor.

Vor diesem Hintergrund müssen Möglichkeiten gesucht werden, wie der Verbrauch an fossilen Brennstoffen und damit die CO_&sub2;-Emissionen im Gebäudebestand vermindert werden können.

Der Sanierung der Gebäude durch bessere Wärmedämmung und Abdichtung werden allgemein die größten Chancen eingeräumt. Die Möglichkeiten der Verbesserung und Erneuerung der Heizungs- und Warmwasseranlagen zur Verringerung des Brennstoffbedarfs werden dabei meist zu gering eingeschätzt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es eine recht große Anzahl von Gebäuden gibt, die sich einer wärmetechnischen Verbesserung entziehen, weil die äußere Erscheinung dies aus ästhetischen Gründen einfach nicht erlaubt oder sogar weil die Häuser unter Denkmalschutz stehen und eine Veränderung nicht erlaubt ist. In diesen Fällen steht „nur“ die Verbesserung der Technik zur Verfügung, um den Energieverbrauch zu vermindern.

Darüber hinaus kann der Wärmebedarf, auch eine technische Maßnahme, in erheblichem Umfang durch erneuerbare Energien gedeckt werden. Dafür kommen neben solarthermischen Anlagen oder dem Einsatz von Biomasse (z.B. Pelletheizung) in zunehmendem Maß Wärmepumpen zur Nutzung der Umweltwärme in Betracht.

Wärmepumpen im Altbau

Ohne Frage ist bereits heute das technische Potenzial der Wärmepumpen vorhanden, den wesentlichen Teil der Nachfrage für Raumwärme und Warmwasser in Deutschland zu decken. Im Neubausektor von Einfamilienhäusern ist in letzter Zeit geradezu ein Durchbruch am Markt zu verzeichnen, die Vorteile dieser Technik sind weithin publik geworden.

Auch der Anteil von Wärmepumpen bei der Erneuerung von bestehenden Häusern wächst stetig, was aus dem Anteil der Luftwärmepumpen am gesamten Absatz geschlossen werden kann.

Während Wärmepumpen in neuen Häusern schon relativ häufig gemessen und dokumentiert wurden, ist das bei bestehenden Gebäuden nur in seltenen Fällen geschehen. Am „schwierigen“ Beispiel eines denkmalgeschützten Einfamilienhauses (Bild 2), werden im Folgenden die technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten, sowie die energetischen Ergebnisse von Wärmepumpen dargestellt.

Das Gebäude

Bei dem Gebäude handelt es sich um ein 1928 erbautes, anerkanntes „Bauhaus“, das 1988 renoviert wurde. Unter anderem wurden dabei die Gussradiatoren durch moderne Röhrenradiatoren und Konvektoren ersetzt. Das Dach konnte wärmegedämmt werden. Aufgrund der denkmalgeschützten Fassade (Bild 2) und der Inneneinrichtung (offenes Treppenhaus) waren eine Wärmedämmung der Außenhülle und der Einbau einer Niedertemperaturverteilung jedoch nicht möglich.

Die Wärmepumpe

Wie meist in bestehenden Häusern waren die den Einsatz einschränkenden Faktoren zum einen die notwendigen Vorlauftemperaturen der Heizungsanlage, zum anderen die Auswahl der geeigneten Wärmequelle.

Im Bereich des in Frage kommenden Grundstücks waren Erdwärmesonden, die den größten Marktanteil im Neubaumarkt haben, nur bis zur Tiefe von 3540m erlaubt, da dort die Basis eines jungquartären Grundwasserleiters liegt und die vorhandene Tonschicht nicht durchbohrt werden darf. Für die notwendige Leistung wären somit maximal zehn Sonden erforderlich gewesen, was aus wirtschaftlichen, aber vor allem aus Gründen der Gartenerhaltung nicht möglich war.

Aus dem langjährigen Gasverbrauchs für Heizung und Warmwasser konnte eine Nenn-Wärmeleistung der Wärmepumpe von ca. 20kW ermittelt werden. Das bedeutete, dass die zweitbeste Lösung, eine Außenluftwärmepumpe, relativ leistungsstark ausgeführt werden müsste. Es war zu befürchten, dass sich Geräuschprobleme durch Lüfter und Luftvolumenstrom nicht ganz würden vermeiden lassen.

Auch ein monoenergetischer Betrieb, bei dem die Wärmepumpe deutlich leistungsschwächer ausgeführt und dann zeitweise durch eine elektrische Direktheizung unterstütz wird, wurde in Betracht gezogen. Die zu erwartenden Primärenergieeinsparungen wären, wenn überhaupt, nur geringfügig niedriger ausgefallen, weil die für die Wärmepumpe ungünstigsten Betriebszustände weitgehend vermieden werden [3].

Weil es von Seiten der Genehmigungsbehörde keinerlei Bedenken gegen eine Brunnenanlage gab und eine Probenentnahme eine hervorragende Wasserqualität mit vernachlässigbarem Eisen- und Mangan-Gehalt ergab, fiel die Entscheidung zugunsten von Grundwasser als Wärmequelle, das zudem insgesamt auch die besseren energetischen Ergebnisse erwarten lässt.

Beim Einbau der Wärmepumpe wurden keine weiteren Änderungen am Gebäude vorgenommen. Damit war ein objektiver Vergleich des Endenergieverbrauchs und der CO&sub2;-Emissionen der bisherigen Gasheizung mit der neu installierten Wärmepumpe möglich.

Mit dem Stromversorger wurde ein Sondervertrag über die „Lieferung elektrischer Energie für eine abschaltbare Zentralspeicherheizungsanlage mit Wärmepumpe“ abgeschlossen. Das bedeutet, dass der Versorger über die Möglichkeit verfügt, innerhalb und außerhalb der Schwachlastzeit eine Sperrung der Stromlieferung täglich dreimal für jeweils maximal zwei Stunden vorzunehmen. Durch diesen „unterbrechbaren Betrieb“ ergibt sich natürlich ein günstiger Strompreis. Die Abschaltungen werden mit einem Rundsteuergerät ferngesteuert.

Nach eingehenden Literaturstudien zeigte sich, dass heute in der Schweiz, in Deutschland, aber auch in Frankreich für die Altbausanierung gute Erfahrungen mit Wärmepumpen vorliegen, die durch eine Dampfzwischeneinspritzung (EVI-Zyklus, enhanced vapour injektion-Zyklus) eine Verbesserung des thermodynamischen Kreisprozesses und damit eine bessere Leistungszahl bei höheren Temperaturen erreichen.

Das Funktionsschema zur Verdeutlichung dieses Prozesses ist in Bild 3 dargestellt. Damit erweitert sich der Einsatzbereich der Wärmepumpe gemäß Bild 4.

Kurz zusammengefasst wurde eine Wärmepumpeanlage mit folgenden Parametern ausgewählt und installiert:

• Wasser/Wasser-Wärmepumpe mit Förder- und Schluckbrunnen
• 19,7kW Nenn-Wärmeleistung
• Einstufiger Kältekreislauf
• Kältemittel R407C
• Scrollverdichter
• Dampfzwischeneinspritzung (EVI-Zyklus)
• Kombinations-Edelstahl-Ladespeicher für 300l Trinkwasser und 650l Heizungspuffer
• Maximale Heizungsvorlauftemperatur 65°C (Bild 4)
• Maximale Trinkwasser-Temperatur 55°C

Die Wärmepumpe wurde mit den notwendigen Messgeräten ausgerüstet, um die gelieferten Wärmemengen und die eingesetzte elektrische Energie zu erfassen. Damit können die Jahresarbeitszahl bzw. die Jahresaufwandszahl, wie das energetische Resultat heute nach DIN genannt wird, und die Betriebskosten genau ermittelt werden.

Energetische Ergebnisse

Die Anlage ging erst im Juli 2006 in Betrieb, die Ergebnisse des ersten Jahres sind in der Tabelle 1 zusammengestellt und lassen sich wie folgt zusammenfassen:

In einer ersten Einstellphase wurde die Trinkwassertemperatur auf 50°C (bei 5K Spreizung) und die Heizungstemperatur auf 60°C (bei 10°C Außentemperatur) eingestellt. Für weitere Optimierungen sind erfahrungsgemäß längere Zeiträume erforderlich.

Tabelle 2

zeigt den gemessenen Endenergieverbrauch sowie den mit den Primärener­gieumwandlungsfaktoren nach der neuen DIN V 4701, Blatt 10 ermittelten Primärenergieverbrauch auf. Angegeben sind der Verbrauch für die Gaszentralheizung und die dann an ihrer Stelle installierte Wasser/Wasser-Wärmepumpe sowie die entsprechenden Einsparungen durch deren Einsatz.

In der Tabelle 3 sind die aus dem Endenergieverbrauch errechneten CO&sub2;-Emissionen zusammengestellt, die sich nach den üblichen (und angegebenen) spezifischen Emissionsfaktoren für Deutschland (D), die Stadt Karlsruhe (KA) sowie den EU-Durchschnitt bei der Stromerzeugung für das Gebäude ergeben. Die Einsparung gegenüber der Gaszentralheizung ist ebenfalls angegeben.

Trotz einer relativ niedrigen Jahresarbeitszahl von 3,43 / 3,55 (siehe Tabelle 1) erreichte die Wärmepumpe im ersten Jahr eine Minderung des Primärenergieverbrauchs und der CO&sub2;-Emissionen von ca. 60% (siehe Tabellen 2 und 3) im Vergleich zur bisherigen Gaszentralheizung.

Das ist eine ganz wichtige Kernaussage! In letzter Zeit wird häufig versucht, die energetische Qualität einer Wärmepumpe auf deren Jahresarbeitszahl zu reduzieren. Dieser Wert eignet sich jedoch lediglich zum Vergleich von Wärmepumpen untereinander. Beim Vergleich mit einer Brennstoffheizung muss genauer vorgegangen werden, denn die Energieverluste, die diese zweifelsohne aufweist, würden anderenfalls nicht berücksichtigt.

Es zeigt sich das erstaunliche Ergebnis, dass auch eine auf den ersten Blick mäßig erscheinende Arbeitszahl von etwa 3,5 zu einer Verminderung der CO&sub2;-Emissionen um rund 60% führt!

Kostenbetrachtung

Nach wie vor sind die Investitionen ein wichtiger Faktor für die Entscheidung pro oder kontra Wärmepumpe. Bei dieser Anlage ergab sich folgende Aufteilung der Gesamtkosten:

Wie in Tabelle 4 zusammengestellt, entfallen bei der beschriebenen Wärmepumpenanlage im Altbau mit der Wärmequelle Grundwasser nur ca. 40% der Kosten auf die Wärmepumpe selbst, jedoch 30% auf die Wärmequellenanlage und 30% auf die Installation, insgesamt also 60% nicht direkt auf das Gerät Wärmepumpe.

Die Zahlenwerte beim Vergleich der Energiekosten (Tabelle 5) verdeutlichen dagegen bereits im ersten Jahr die wesentlichen Kostenersparnisse durch die Anlage. Der Vergleich zeigt eine Verminderung der Betriebskosten um 55%! Damit scheint eine Amortisierung der Anlage nach zehn Jahren realistisch.

Zusammenfassung

Am Beispiel eines denkmalgeschützten Bauhauses wurden die Möglichkeiten der Heizungssanierung mittels Wärmepumpe erläutert.

Für den Betreiber besonders interessant ist der wirtschaftliche Aspekt der Heizungserneuerung. Die geringsten Investitionen, aber auch den geringsten Energiespareffekt hätte ohne Frage der Tausch des Heizkessels verursacht.

Eine bivalent betriebene Luft/Wasser-Wärmepumpe in Kombination mit dem alten Heizkessel wäre als energiewirtschaftlich optimale Lösung auch in Frage gekommen. Wie so häufig sollte jedoch auch in diesem Fall das bisherige System der Wärmeerzeugung völlig abgelöst werden. Ein monoenergetischer Betrieb wäre sowohl für eine Luftanlage wie auch für die Grundwasser-Wärmepumpe ein weiterer Kompromiss gewesen.

Die höchsten Kosten hätten sich in diesem Fall bei einer Wärmepumpe mit Erdwärmesonden ergeben, weil deren Tiefe durch die Behörde limitiert wurde. Im Vergleich dazu verursachte die Wasser/Wasser-Wärmepumpe geringere Investitionskosten und schonte darüber hinaus, im Altbau ein wichtiger Aspekt, die Gartenanlage.

Es zeigte sich, dass die Investitionskosten und damit die Wirtschaftlichkeit einer Sanierungswärmepumpe im Vergleich zur konventionellen Heizung von den vorgegebenen Rahmenbedingungen

• Heizleistung
• Wärmequelle
• Zustand des Gebäudes, hauptsächlich Wärmeverteilung
• Stromversorgung

aber auch wesentlich von den Kenntnissen und Erfahrungen des Installateurs und der Bohrfirma abhängen.

Fazit

Für die übergeordnete Sicht zeigt das Beispiel für einen Altbau, dass die Jahresarbeitszahl nicht die tatsächlichen Vorteile der Wärmepumpe im Vergleich zur Brennstoffheizung wiedergibt. Wichtiger ist die im Vergleich zur bisherigen Heizung erzielte Reduktion des Primärenergieverbrauchs und der CO₂-Emissionen. Unter den vorgegebenen Bedingungen wurden durch eine anscheinend nicht so gute Wärmepumpe beide im Vergleich zur bisherigen Gasheizung um ca. 60% reduziert.

Derzeit wird der Wärmepumpenmarkt vom Neubausektor beherrscht. Der Durchbruch im riesigen Sektor Altbausanierung und damit die drastische Verbesserung der Energie-Effizienz und die Minderung der CO₂-Emissionen wird erst durch eine gezielte Förderung zum Ausgleich der hohen Investitionskosten gelingen. Auch im Bereich von Forschung, Entwicklung und Erprobung sind noch einige Anstrengungen nötig, um dem Markt geeignete Hochtemperaturwärmepumpen zur Verfügung zu stellen.

Literatur

[1] Dr. rer. nat. Bernd Hafner, Dr.-Ing. Klaus Heikrodt, Viessmann Werke Allendorf: EVI-Prinzip Heizungs-Wärmepumpe für hohe Vorlauftemperaturen; 3. Forum Wärmepumpe, 13.14. Oktober 2005, Berlin

[2] W. Rogatty, Allendorf: Wärmepumpen für die Modernisierung; TAB Fachzeitschrift für die Gebäudeausrüstung Oktober 2003, S. 3042

[3] Dipl.-Ing. Peter Göricke; Betriebsweisen von Wärmepumpen im Altbau; KI Kälte Luft Klimatechnik; Juni 2007

Links

https://www.izw-online.de/

https://dkv.org/

IZW e.V., Informations­zentrum Wärmepumpen und Kältetechnik, Hannover