Ein Doppel für die Zukunft

11.12.2019 | Veröffentlicht in Ausgabe 24-2019 | Druckvorschau

Ein Hybridsystem mit Brennwertheizkessel und Luft/Wasser-Wärmepumpe kombiniert die Vorteile der beiden Wärmeerzeuger und bietet die Möglichkeit, langfristig auf Änderungen im Energiesystem flexibel zu reagieren. - © Bild: Wolf — © Bild: Wolf

Ein Hybridsystem mit Brennwertheizkessel und Luft/Wasser-Wärmepumpe kombiniert die Vorteile der beiden Wärmeerzeuger und bietet die Möglichkeit, langfristig auf Änderungen im Energiesystem flexibel zu reagieren.

Kombination von fossiler und erneuerbarer Heiztechnik ▪ Die Ziele sind klar: ein möglichst klimaneutraler Gebäudebestand bis spätestens 2050 und eine deutliche Absenkung der von Gebäuden ausgestoßenen CO2-Emissionen bis 2030. Weit weniger klar ist, wie dies im Einzelfall – ob Bestandsgebäude oder Neubau – unter Berücksichtigung aller An- und Herausforderungen mit möglichst geringen Kosten zu meistern ist. Eine praktikable Lösung sind Hybrid-Heizsysteme, mit denen auch flexibel auf künftige Veränderungen reagiert werden kann. Sie bieten aber noch weit mehr Vorteile. → Martin Bauer

Nicht nur bei den Europawahlen hinterließen die unzähligen Medienberichte zum Thema Klimaschutz deutliche Spuren: Bereits im Februar 2019 sprachen sich bei einer vom Bundesverband Solarwirtschaft beauftragten YouGov-Umfrage zwei Drittel der Deutschen dafür aus, dass bei einer Heizungsmodernisierung das neue Wärmesystem zumindest anteilig aus erneuerbaren Energien gespeist werden soll – sofern das technisch zumutbar ist.

Investoren und Modernisierer müssen jedoch viele Aspekte abwägen, um zukunftstaugliche, projektspezifisch vorteilhafte und praktikable Lösungen zu finden, die

einerseits den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen effektiv und effizient mindern,

andererseits für den Investor und gegebenenfalls Mieter auch wirtschaftlich sinnvoll sind

und zudem den Nutzern bzw. Bewohnern einen hohen Heiz- und Warmwasserkomfort bieten.

Diese Bedingungen erfüllen Hybrid-Heizsysteme, weil sie zwei unabhängige Wärmeerzeuger mit unterschiedlichen Vorteilen und Energieträgern kombinieren. Am häufigsten bestehen sie aus einem Gas- oder Öl-Brennwertheizkessel sowie einem System auf Basis erneuerbarer Energien. Als geeigneter Partner empfiehlt sich, neben einer Solarthermieanlage, zunehmend eine Luft/Wasser-Wärmepumpe.

In Hybridsystemen können Wohnungsstationen die hohen Anforderungen im Neubau wirtschaftlich und ohne Kompromisse erfüllen.

Das Frischwassermodul des Schichtenspeichers BSP-W ist für relativ niedrige Temperaturen ausgelegt und sorgt in Kombination mit einer Wärmepumpe für eine hygienische und energetisch optimierte Trinkwassererwärmung im Durchlauf.

Vorteile und Zukunftsoptionen

Ein Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid eignet sich sowohl für den Einsatz im Neubau als auch im Bestand. Abhängig vom Gebäude und der Einsatzart bietet ein derartiges Heizsystem grundlegende Vorteile:

Die Grundheizlast wird ganzjährig mithilfe einer hocheffizienten Wärmepumpe gedeckt; der fossile Wärmeerzeuger fängt die Spitzenlasten ab. Zudem kann flexibel auf äußere Gegebenheiten reagiert werden, beispielsweise während einer Dunkelflaute oder bei Stromüberschüssen (auch Integration in ein virtuelles Kraftwerk).

Hoher und hygienischer Warmwasserkomfort durch einen Brennwert-Spitzenlastheizkessel, der auch hohe Warmwassertemperaturen vergleichsweise effizient bereitstellt (z. B. zum Legionellenschutz).

Hohe Betriebsverfügbarkeit und -sicherheit aufgrund der Nutzung von zwei voneinander unabhängigen Wärmeerzeugern (Redundanz). Bei einer energetischen Sanierung ist deshalb auch eine ergänzende Installation in Etappen möglich.

Es lassen sich sehr flexibel zwei Wärmeerzeuger mit unterschiedlichen Heizleistungen abgestimmt auf das jeweilige Projekt kombinieren. Auch Kaskadenlösungen sind möglich.

In Verbindung mit einer reversiblen Luft/Wasser-Wärmepumpe und einem entsprechend ausgelegten Flächenheizsystem kann im Sommer gekühlt werden.

Optional ist ein Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid mit Wohnungsstationen zur Heizwärme- und Warmwasserversorgung im Mehrfamilienhausbereich kombinierbar.

Die Investitionskosten sind im Vergleich zu einer reinen Wärmepumpenlösung mit hoher Heizleistung in der Regel geringer.

Die gesetzlichen Vorschriften des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) sowie der Energieeinsparverordnung (EnEV) und soweit absehbar des zukünftigen Gebäudeenergiegesetzes (GEG) sowie die KfW-Förderbedingungen lassen sich (bei Neubau und umfangreichen energetischen Sanierungen) mit einem Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid vergleichsweise kostengünstig erfüllen.

Niedrigere und optimierte Betriebskosten, weil der jeweils günstigere Energieträger genutzt wird. Dies gilt insbesondere nach einer CO₂-Bepreisung, unabhängig von dem realisierten Bepreisungssystem.

Hohe Preisflexibilität im Hinblick auf die künftige Entwicklung der Öl-/Gas- und Strompreise (inklusive der Nutzung künftiger zeitvariabler Stromtarife).

Beide Wärmeerzeuger werden weniger stark beansprucht, was Lebensdauer und Verschleiß positiv beeinflusst.

Ein Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid ist gut geeignet für den Eigenverbrauch von selbst produziertem Photovoltaikstrom, weil die Heizleistung und damit die Leistungsaufnahme bei bivalentem Betrieb meist geringer ausgelegt ist. Erforderlich ist dazu eine Wärmepumpe mit „SG-Ready“-Schnittstelle.

Denkbar ist auch eine Optimierung bzw. Minimierung der CO₂-Emissionen, abhängig von den zu erwartenden Emissionen im aktuellen Betriebspunkt.

Es kann flexibel auf die Dekarbonisierung der verwendeten Energieträger reagiert werden.

Vorteilhaft ist zudem, dass sich Hybrid-Heizsysteme in Verbindung mit einem jeweils projektbezogenen, individuellen Puffer- und Warmwasserspeicherkonzept optimiert nutzen lassen.

Hierzu ein Beispiel: Im Mehrfamilienhaus-Neubau wird oft auf größere Pufferspeicherlösungen zurückgegriffen, um die Laufzeiten der Wärmepumpe zu optimieren. Hierbei ist etwa der Wolf-Schichtenspeicher BSP-W besonders für die Verwendung mit einer Wärmepumpe geeignet. Denn das angebaute Frischwassermodul sorgt sowohl für eine hygienische als auch für eine energetisch optimierte Trinkwassererwärmung im Durchlauf, da es für relativ niedrige Temperaturen ausgelegt ist.

Der Bivalenzpunkt spielt für die Betriebsweise eines Brennwert-Wärmepumpen-Hybridsystems eine wesentliche Rolle.

Alternativ, parallel und teilparallel

Bei einem Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid gibt es hinsichtlich der Wärmebereitstellung drei typische Arten einer bivalenten Betriebsweise: alternativ, parallel und teilparallel. Eine wesentliche Rolle spielen dabei der Bivalenzpunkt (BP) sowie der Abschaltpunkt (AP), zwei feste oder (teil)variable Außenlufttemperaturwerte, welche projektspezifisch ausgelegt werden:

Bivalent paralleler Betrieb – Oberhalb des BP sorgt nur die Wärmepumpe für die Wärmeerzeugung. Unterhalb des BP wird das Brennwertgerät gleichzeitig mit der Wärmepumpe betrieben.

Bivalent alternativer Betrieb – Auch hier sorgt oberhalb des AP nur die Wärmepumpe für die Wärmeerzeugung. Jedoch unterhalb des AP wird nur noch das Brennwertgerät betrieben.

Bivalent teilparalleler Betrieb – Prinzipiell funktioniert die Betriebsweise genauso wie beim bivalent alternativen Betrieb. Einziger Unterschied: Zwischen dem BP und AP sind die Wärmepumpe und das Brennwertgerät gleichzeitig in Betrieb. Wichtig ist dabei, darauf zu achten, dass die Systemtemperatur innerhalb des Einsatzbereichs der Wärmepumpe liegt.

Der Systemregler kann den Abschalt- und Bivalenzpunkt nach verschiedenen Kriterien (Führungsgrößen) ermitteln, die sowohl fest als auch variabel sein können. Typische Beispiele für feste Führungsgrößen sind: Wärmequellen-, Vor-/Rücklauf- und Außentemperatur sowie eventuelle Sperrzeiten des Energieversorgers bei Wärmepumpenstromtarifen. Variable Kriterien können zum Beispiel sein: Photovoltaikstrom-Überschüsse, CO₂-Emissionen und unterschiedliche Energietarife.

Welche Betriebsweise letztlich zur Anwendung kommt, hängt vom konkreten Projekt ab. So kann beispielsweise beim bivalent alternativen Betrieb der Brennwertheizkessel mit höheren Vorlauftemperaturen arbeiten, falls in einem (unsanierten) Altbau die vorhandenen Radiatoren an sehr kalten Tagen höhere Vorlauftemperaturen benötigen.

Um die Zusammenhänge anschaulicher zu machen, werden nachfolgend zwei Marktsegmente beispielhaft näher betrachtet, die für Brennwert-Wärmepumpen-Hybridsysteme besonders attraktiv sind – sowohl aus Sicht von Fachhandwerkern und -planern als auch aus der Sicht des Investors bzw. Hauseigentümers: der Mehrfamilienhaus-Neubau und die (Teil-)Sanierung im Eigenheimbereich.

Beispielprojekt für ein Hybridsystem in einem Mehrfamilienhaus-Neubau mit acht Wohneinheiten.

Hybridsysteme im Mehrfamilienhaus

Vor allem in Ballungsräumen soll rasch Wohnraum für private Käufer zur Eigennutzung und auch zur Vermietung (als Kapitalanlage) geschaffen werden. Aufgrund begrenzter Bauflächen, hoher Grundstückspreise und möglichst günstiger Baukosten liegen kleine und mittlere Mehrfamilienhäuser (MFH) bis etwa 16 Wohneinheiten stark im Trend.

Doch wie lässt sich unter diesen Bedingungen ein möglichst kostengünstiges und zuverlässiges Heizsystem errichten, das die Erfüllung der EnEV erleichtert und zudem die Verpflichtung des EEWärmeG zur Nutzung erneuerbarer Energien erfüllt (der bisherige Entwurf des GEG sieht ähnliche Anforderungen vor)?

Der Einsatz von Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen wird vom Erbauer (Bauträger, Generalunternehmer etc.) meist schon aufgrund der hohen Investitionskosten ausgeschlossen. Doch auch Luft/Wasser-Wärmepumpen mit großen Heizleistungen stoßen rasch an Grenzen: wegen der Anschaffungskosten, ihrer Baugröße und Schallemissionen bei kleinen Grundstücken.

Im MFH-Neubau (ohne Nah- und Fernwärmeanschlusszwang) spielen bei der Anlagenplanung zudem die Kriterien Betriebsverfügbarkeit und -sicherheit eine wesentliche Rolle. Auch deshalb bietet sich hier der Einsatz von Gas-Brennwerttechnik (Erd- und Flüssiggas) in Kombination mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe an. Dabei ergeben sich die folgenden Hauptvorteile:

Bei der eingesetzten Luft/Wasser-Wärmepumpe kann die Heizleistung relativ klein gewählt werden. Dadurch ist sie kostengünstiger und kompakter gebaut, arbeitet leiser und ist dennoch förderfähig. Für das effiziente und sichere Zusammenwirken der Wärmeerzeuger sorgt ein intelligentes Regelgerät, wie das Bedienmodul BM-2 von Wolf.

Zwei redundante Wärmeerzeuger bieten dem Vermieter/Bauträger sowie dem Fachhandwerker zusätzlichen Ausfallschutz bzw. Schutz vor Beanstandungen. Denn Anlagenausfälle ziehen inzwischen häufig sofortige Mietminderungen nach sich. Auch Wohnungsstationen zur Heiz- und Warmwasserversorgung sind problemlos möglich, was bei reinen Wärmepumpenlösungen nur bedingt geht.

Die Sicherstellung der Trinkwasserhygiene bei Warmwasser-Speicherlösungen hat eine hohe Relevanz. Auch hier drohen Mietminderungen, falls bei einer Legionellenkontamination die Anlage außer Betrieb genommen werden muss. Mit Blick auf die Energieeffizienz stellt hauptsächlich das Gas-Brennwertgerät die notwendigen hohen Vorlauftemperaturen zur Verfügung.

Die Vorschriften des EEWärmeG ließen sich natürlich auch mit Gas-Brennwerttechnik und Solarthermie erfüllen. Dies scheitert aber meistens an den höheren Kosten – obwohl der Deckungsanteil (aus erneuerbaren Energien) zur Wärmebereitstellung (ohne Trinkwassererwärmung) in Verbindung mit Umweltwärme nur mindestens 50 % betragen muss. Bei einer bivalent parallelen Betriebsweise lässt sich diese Vorgabe einfacher erreichen, weil die Wärmepumpe so lange wie möglich läuft.

Hierzu ein Beispiel: Bei einem angenommenen Deckungsanteil der Wärmepumpe von 61 % beim Bivalenzpunkt 5 °C beträgt der Leistungsanteil nur 19 %. Demgegenüber muss die Wärmepumpe im bivalent alternativen Betrieb bereits einen Leistungsanteil von 35 % aufweisen, um einen Deckungsanteil von mindestens 50 % zu erreichen. Soll die Wärmepumpe über das Marktanreizprogramm (Bafa) gefördert werden, ist ein Bivalenzpunkt von 2 °C (oder tiefer) erforderlich. In diesem Fall läge der Leistungsanteil der Wärmepumpe im bivalent parallelen Betrieb bei mindestens 31 %.

Beispielprojekt für ein Hybridsystem im Rahmen der Sanierung eines Einfamilienhauses mit Baujahr 1980.

Hybridsysteme im Eigenheim

Im Ein- und Zweifamilienhaus ist ein Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid vor allem dann interessant, wenn eine Heizungsmodernisierung ansteht und der Hausbesitzer

lediglich eine energetische Teilsanierung an der Gebäudehülle vornimmt. Dazu gehören (Einzel-)Maßnahmen wie der Fensteraustausch, die Wärmedämmung des kompletten Dachs oder Dämmmaßnahmen an der Keller- und obersten Geschossdecke. Dann werden meist auch die vorhandenen Radiatoren weitergenutzt, oft mit Vorlauftemperaturen zwischen 55 und 65 °C.

eine umfangreichere energetische Sanierung zum KfW-Effizienzhaus 115 plant und dazu eine KfW-Förderung nutzen möchte.

den Primärenergiebedarf und die CO₂-Emissionen seines vorhandenen Öl- oder Gas-Heizsystems verringern und dazu eventuell auch eigenen Photovoltaikstrom einsetzen möchte. Dazu kann auch ein vorhandener moderner (Brennwert-)Wärmeerzeuger mit einer neuen Luft/Wasser-Wärmepumpe kombiniert werden.

eine Bafa-Förderung über das Marktanreizprogramm nutzen möchte.

In der Regel verfügen beide Wärmeerzeuger über ähnlich hohe Heizleistungen. Dabei übernimmt die Wärmepumpe ganzjährig die Grundlast, während der fossile Brennwertheizkessel bei Spitzenlasten sowie bei einem hohen Warmwasserbedarf (kurzzeitig) in Betrieb geht. Bei ähnlich großen Wärmeerzeugern ist es beispielsweise beim Hersteller Wolf möglich, intelligente Betriebsweisen im Bedienmodul BM-2 zu hinterlegen:

Ökonomisch – Es wird, sofern günstiger, Gas verwendet (bivalent alternativer Betrieb).

Ökologisch – Wärmepumpenlaufzeit so lange wie möglich (bivalent paralleler Betrieb).

In Verbindung mit der EEBus-Schnittstelle und weiteren Zusatzkomponenten ermöglicht das Bedienmodul BM-2, selbst produzierten Photovoltaikstrom intelligent zum Wärmepumpenbetrieb zu nutzen. Dadurch erhöht sich der Autarkiegrad spürbar, was zunehmend mehr Hausbesitzer gezielt anstreben.

Etwas anders sieht es aus, wenn das Eigenheim umfassend energetisch saniert und die Radiatoren durch eine Flächenheizung ersetzt werden sollen. Dann dürfte meist der monovalente bzw. monoenergetische Einsatz eines Wärmepumpensystems wirtschaftlicher sein – vorausgesetzt, der Warmwasserbedarf ist generell nicht zu hoch.

Erfolgen die energetischen Sanierungsmaßnahmen etappenweise über einen längeren Zeitraum hinweg, lässt sich die vorhandene Heizungsanlage bereits zu Beginn durch eine Wärmepumpe ergänzen. Diese wird dann so ausgelegt, dass sie die geplante niedrigere Heizlast alleine decken und der vorhandene Altkessel (nach Abschluss der Sanierung) außer Betrieb genommen werden kann.

Bei einer Heiztechnikkonzeption sollte bei neuen und sanierten Niedrigenergiegebäuden stets berücksichtigt werden, dass eine kontrollierte Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung sinnvoll oder sogar notwendig sein kann – zum Schutz der Bausubstanz und der Bewohnergesundheit sowie für ein ganzjähriges Wohlfühlklima. Dadurch vermindern sich der Primärenergieverbrauch und die CO₂-Emissionen zusätzlich – insbesondere, wenn für den Betrieb PV-Überschüsse genutzt werden.