Die Endlichkeit von Ressourcen und steigende Energiepreise haben Verbrauchern wie Politikern vor Augen geführt, dass mit Energie möglichst sparsam umgegangen werden muss. Gegenüber dem Jahr 2008 soll der Primärenergieverbrauch nach den Vorstellungen der Bundesregierung bis 2050 um die Hälfte sinken. Für denselben Zeitraum ist eine Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien auf 60 % vorgesehen.
Gerade der Wärmesektor bietet zur Erreichung dieser politischen Ziele erhebliche Chancen. Rund 40 % des Energieverbrauchs in Deutschland entfallen auf die Wärmeversorgung. Das ist deutlich mehr als im Bereich Verkehr und Transport verbraucht wird, der nur auf etwa 30 % kommt. Mit gesetzlichen Rahmenbedingungen und staatlichen Förderprogrammen, wie zum Beispiel der Energieeinsparverordnung (EnEV 2009) und dem wiederaufgenommenen Marktanreizprogramm des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), hat die Politik deshalb gute Voraussetzungen für die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien geschaffen – sowohl in Neubauten als auch im Gebäudebestand.
Die einfachste Art, regenerative Energien zu nutzen
Fast immer ist in bestehenden Gebäuden der nachträgliche Einbau von regenerativen Energiesystemen möglich. In einigen Fällen können jedoch eine für Solarkollektoren ungünstige Dachausrichtung, mangelnde Grundstücksfläche für das Setzen einer Erdwärmesonde oder fehlende Möglichkeiten zu Lagerung von Holzpellets Hemmnisse sein. Dann sollte daran gedacht werden, dass sich bereits allein durch den Austausch des alten Heizkessels gegen einen modernen Brennwertkessel für Öl oder Gas auch erneuerbare Energien zu einem erheblichen Teil nutzen lassen.
Moderne Öl-Brennwertkessel können zum Beispiel problemlos mit den bereits heute im Markt angebotenen, nach DIN 51603-6 standardisierten Gemischen aus Bioöl und Heizöl EL betrieben werden. Dieses „Heizöl EL A Bio“ ist schwefelarmes Heizöl, dem ein flüssiger Brennstoff aus nachwachsenden Rohstoffen beigemischt ist. Heizöl EL A Bio mit mindestens 10 % Bioanteil wird derzeit schon in einigen Regionen Deutschlands angeboten.
Auch wenn mit Gas geheizt wird, kann Brennstoff aus nachwachsenden Rohstoffen zugemischt werden. Die Bundesregierung will prüfen, ob der Wärmemarkt für Biogas geöffnet werden soll. Geschieht das, wird zunehmend aufbereitetes Biogas in die Erdgasnetze eingespeist werden. Dabei werden heute Zumischungen von bis zu 10 % zum Erdgas angestrebt.
Moderne Gas-Brennwertgeräte mit einer selbstkalibrierenden Verbrennungsregelung wie Lambda Pro Control sind in der Lage, ein solches Gasgemisch problemlos und ohne vorherige Anpassung – z. B. durch den Austausch von Blenden – zu verbrennen. Die selbstkalibrierende Verbrennungsregelung erkennt Gasveränderungen sofort, gleicht sie automatisch aus und sorgt so dafür, dass die Verbrennung dauerhaft stabil und bei gleichbleibend hohem Wirkungsgrad abläuft.
Sollen erneuerbare Energien in höherem Maße als die 10 % Bioanteil bei Heizöl oder Gas genutzt werden, bietet sich in Ein- und Zweifamilienhäusern die Ergänzung mit einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung an.
Nachrüsten von thermischen Solaranlagen
Sonnenenergie ist kostenlos und spart wertvollen Brennstoff. Thermische Solaranlagen sollten deshalb obligatorischer Bestandteil jedes Heizungssystems sein. Mit einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung können in Ein- und Zweifamilienhäusern jährlich bis zu 60 % der für die Warmwasserbereitung benötigten Energie durch die Sonne gedeckt werden.
Noch größer sind die Einsparungen, wenn die Solaranlage auch die Heizung unterstützt. Bezogen auf den gesamten Wärmebedarf kann die Sonne in gut wärmegedämmten Häusern bis zu einem Drittel der benötigten Energie bereitstellen. Bei älteren Gebäuden bzw. Häusern mit einem höheren Wärmebedarf fällt diese Deckungsrate niedriger aus. Da aufgrund der weniger effizienten Wärmedämmung die Heizperiode früher beginnt als im Niedrigenergiehaus, kann die Solaranlage in solchen Häusern aber auch schon früher Wärme an die Heizung abgeben. Die spezifischen Erträge der Solaranlage fallen daher entsprechend höher aus.
Bei der Auslegung des Kollektorfeldes, der Umwälzpumpe und der Sicherheitseinrichtungen kann in der Regel genau so vorgegangen werden, wie bei der Planung einer komplett neuen Anlage. Wichtig für eine größtmögliche Energieaufnahme aller Sonnenkollektoren ist deren Ausrichtung. Optimale Ergebnisse werden bei der Orientierung gen Süden erzielt. Abweichungen von 20° aus der Südrichtung haben nur einen geringen Einfluss (etwa 2 % Minderung). Abweichungen bis 45° sind akzeptabel. Der günstigste Kollektor-Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen beträgt 30 bis 45°. Dies ist ein Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Sonneneinfallswinkeln im Sommer und im Winter und entspricht außerdem den häufigsten Dachneigungen.
Am Anfang der Sanierung steht die Bestandsaufnahme
In der überwiegenden Zahl der Fälle wird eine bestehende Heizungsanlage über keine vorbereiteten Einrichtungen für den Anschluss von Solarkollektoren verfügen. Eine Bestandsaufnahme der vorhandenen Anlage schafft Klarheit über die nachzurüstenden Bauteile und bildet die Grundlage für die weitere Anlagenplanung.
Grundsätzlich sollte dabei geprüft werden, ob sich die vorhandene Technik mit der Solartechnik kombinieren lässt. So kommunizieren beispielsweise moderne Solarregelungen über einen Datenbus mit der Regelung heutiger Heizkessel. Sie stimmen die unterschiedlichen Wärmequellen optimal aufeinander ab und räumen der kostenlosen Sonnenenergie oberste Priorität ein, um den Brennstoffverbrauch des Heizkessels zu reduzieren. Voraussetzung ist allerdings, dass die Regelung des Heizkessels ihrerseits mit der Solarregelung Daten austauschen kann. Im Zweifelsfall sollte frühzeitig bei den Herstellern geklärt werden, ob und wie die Regelungen diesen Austausch zulassen.
Dem Speicher kommt in einer Solaranlage eine besondere Bedeutung zu. Er dient zum einen als Schnittstelle zwischen der Heizungs- und der Solaranlage und übergibt das solar vorerwärmte Wasser zum eventuell erforderlichen Nacherwärmen an das konventionelle Heizsystem. Zum anderen ist er auch erforderlich, um die solar gewonnene Wärme für die Nutzung außerhalb der Sonnenstunden zu bevorraten.
Kann ein neuer, bivalenter Speicher installiert werden, so sind sowohl bei Anlagen zur Trinkwassererwärmung als auch bei der Heizungsunterstützung für die Anbindung der Solaranlage an das Heizungssystem eine Vielzahl von verschiedenen Lösungen verfügbar. Viessmann bietet den Marktpartnern dazu Arbeitshilfen wie zum Beispiel einen Schemen-Browser an, mit dem die Auswahl des jeweils am besten geeigneten Schemas und die weitere Auslegung der Komponenten erheblich vereinfacht wird.
Heizungsmodernisierung mit Wärmepumpen
In Neubauten ist heute der Einsatz von Wärmepumpen üblich. Und auch bei der Modernisierung können Wärmepumpen eine gute Alternative sein, vorausgesetzt, das Gebäude ist hinreichend wärmegedämmt und die Systemtemperaturen der Heizungsanlage sind nicht zu hoch.
Oft sind die Heizkörper in alten Heizungsanlagen sehr großzügig dimensioniert. Im Rahmen von Modernisierungsmaßnahmen an der Gebäudehülle wurden zudem häufig Isolierglasfenster und Wärmedämmungen eingebaut, die die Heizlast deutlich gesenkt haben. Deshalb sind die hohen Systemtemperaturen (z. B. 70/50 °C) oft gar nicht mehr erforderlich und können erheblich verringert werden. In diesen Fällen kann eine Wärmepumpe – vorausgesetzt sie liefert die dann noch erforderlichen Vorlauftemperaturen – auch in solchen älteren Heizungssystemen die benötigte Wärme wirtschaftlich bereitstellen und über die Radiatoren an die Wohnräume abgeben.
Lassen sich die Systemtemperaturen des Heizungssystems nicht so ohne Weiteres senken, weil beispielsweise das Haus dazu nicht ausreichend wärmegedämmt ist, können gegebenenfalls einige der vorhandenen Radiatoren durch Tieftemperatur-Heizkörper ersetzt werden. Diese Maßnahme ist deutlich einfacher und kostengünstiger zu realisieren als der nachträgliche Einbau einer Fußbodenheizung.
Tieftemperatur-Heizkörper liefern bei gleicher Heizkörperfläche zwei- bis dreimal mehr Wärme als ein herkömmlicher Heizkörper – entsprechend niedriger können die Systemtemperaturen eingestellt werden. Ihre hohe Leistung bei der Wärmeabgabe erreichen Tieftemperatur-Heizkörper durch elektronisch geregelte Axialventilatoren, die auf einem sehr kompakten Kupfer-Aluminium-Wärmetauscher angebracht sind. Diese Kombination ermöglicht den sogenannten Dynamic Boost Effect – mehr Wärme als ein gleich großer konventioneller Heizkörper und zugleich eine bis zu neunmal schnellere Wärmeverteilung im Raum.
Bivalent heizen mit Wärmepumpe und Heizkessel
Vor allem zur Heizungsmodernisierung werden Wärmepumpen auch häufig mit dem vorhandenen Heizkessel zu einer bivalenten Anlage kombiniert. In diesen Anlagen beträgt der Deckungsanteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit bis zu 90 %. Entsprechend sind die Einsparungen bei Öl bzw. gegenüber dem ausschließlichen Betrieb des herkömmlichen Heizkessels.
In einer bivalenten Anlage sorgt die Wärmepumpe für die Grundversorgung mit Heizenergie. Erst bei besonders niedrigen Temperaturen schaltet sich zur Deckung der Spitzenlast automatisch der Heizkessel ein. Dabei wird zwischen zwei Betriebsweisen unterschieden:
- Bei der <b>bivalent-alternativen Betriebsweise</b> arbeitet oberhalb einer festgelegten Außentemperatur (dem sogenannten Bivalenzpunkt, z.B. -5°C) ausschließlich die Wärmepumpe. Bei niedrigeren Temperaturen schaltet sich die Wärmepumpe ab und der Heizkessel übernimmt die Wärmeversorgung. Die Regelung der Wärmepumpe sorgt automatisch für das Umschalten zwischen den Wärmeerzeugern. Diese Betriebsweise eignet sich besonders für Heizungsanlagen mit hohen Systemtemperaturen, wie sie in älteren Gebäuden häufig anzutreffen sind. Der Heizkessel liefert dann Wärme, wenn bei sinkenden Außentemperaturen höhere Vorlauftemperaturen erforderlich werden, die über der von der Wärmepumpe maximal erreichbaren Vorlauftemperatur liegen.
- Auch bei der <b>bivalent-parallelen Betriebsweise</b> arbeitet die Wärmepumpe zunächst als einziger Wärmeerzeuger. Reicht bei sinkender Außentemperatur die Heizleistung der Wärmepumpe nicht mehr aus, um den Wärmebedarf zu decken, wird sie durch den Heizkessel ergänzt. Beide Wärmeerzeuger sind dann gleichzeitig in Betrieb. Diese Betriebsart setzt voraus, dass die Wärmepumpe auch bei tiefen Außentemperaturen noch wirtschaftlich betrieben werden kann. Die Aktivierung des Heizkessels und die lastabhängige Leistungsabgabe steuert die Wärmepumpenregelung. Wird diese Betriebsweise gewählt, so ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit in der Regel größer als bei der bivalent-alternativen. So kann eine Wärmepumpe, deren Nennleistung etwa halb so groß ist wie die maximale Gebäude-Heizlast, bei der bivalent-parallelen Betriebsweise bis zu etwa 85 % des gesamten Jahresheizarbeit leisten, bei der bivalent-alternativen über 50 %. Bei größeren Anteilen der Wärmepumpe an der maximalen Heizlast fällt ihr Deckungsanteil noch höher aus.
Wärmepumpen in Splitbauweise sind ideal für bivalente Anlagen
Als Wärmepumpe kommen für solche bivalente Anlagen immer häufiger die preisattraktiven Luft/Wasser-Wärmepumpen in Split-Bauweise zum Einsatz. Ihre Technik basiert auf den millionenfach bewährten Split-Klimageräten, wodurch sich die im Vergleich zu Wärmepumpen anderer Bauart geringen Anschaffungskosten ergeben. Hinzu kommt, dass die Außenluft als Wärmequelle ohne Aufwand erschlossen werden kann. Es sind weder kostenintensive Erdarbeiten erforderlich, noch müssen Zu- und Abluftkanäle verlegt werden. Lediglich zwei Kältemittelleitungen und der elektrische Anschluss sind aus dem Gebäude heraus zur Außeneinheit zu führen.
Ein Beispiel für eine Wärmepumpe dieser Bauart ist die Vitocal 200-S (Heizleistungen von 3 bis 10,6 kW). In der Außeneinheit dieser Wärmepumpe sind Verdampfer, Ventilator, Verdichter und Expansionsventil untergebracht. Die Inneneinheit enthält den Verflüssiger, 3-Wege-Umschaltventil, Heizkreispumpe, Ausdehnungsgefäß und die Regelung. Für die hohe Effizienz der Vitocal 200-S sorgen ein invertergesteuerter Verdichter sowie der Einsatz eines elektronisch geregelten Expansionsventils statt des bei herkömmlichen Wärmepumpen üblicherweise thermostatisch geregelten Ventils. So erreicht die Vitocal 200-S Leistungszahlen bis 4,6 (bei A 7°C/W 35°C nach EN 14511) bzw. bis 3,5 (bei A 2°C/W 35°C nach EN 14511).
Auch das Heizen mit Holz bietet verschiedene Möglichkeiten
Die älteste Form der Nutzung erneuerbarer Energien ist die Wärmeerzeugung mit Holz. In den vergangenen Jahren hat das Heizen mit diesem nachwachsenden Rohstoff erheblich an Bedeutung gewonnen. Denn bei seiner Verbrennung wird nur so viel CO2 freigesetzt, wie die Pflanze zuvor bei ihrem Wachstum der Atmosphäre entnommen hat.
Darüber hinaus bietet Holz als Brennstoff gegenüber den anderen Energieträgern noch weitere Vorteile:
- Im Gegensatz zur Sonnenenergie ist Holz unabhängig von der Tages- und Jahreszeit sowie vom Wetter ständig verfügbar.
- Ob Pellets, Hackschnitzel oder Scheitholz – der nachwachsende Energieträger kann mit geringem Aufwand gelagert und die darin gebundene Energie somit einfach bevorratet werden.
- Holz ist ein heimischer Energieträger, dessen Verwendung die Abhängigkeit von Öl- und Gaslieferungen aus dem Ausland verringert.
Die heutigen Holzfeuerungen haben mit den traditionellen Feuerstätten nur noch wenig zu tun. Moderne Pellet-, Hackschnitzel- und Scheitholzkessel wandeln den Brennstoff äußerst effizient in nutzbare Wärme um, die Staubemissionen unterschreiten deutlich die zulässigen Grenzwerte. Zur Heizungsmodernisierung in Ein- und Zweifamilienhäusern eignen sich sowohl Pellet- wie auch Scheitholzkessel, wobei letztere häufig als sogenannte Beistellkessel einen bereits vorhandenen Öl- oder Gas-Heizkessel ergänzen.
Moderne Pelletkessel sind mit Leistungen ab etwa 4 kW verfügbar und bieten einen Bedienkomfort, der nahe an einen Öl-Heizkessel herankommt. Ein Beispiel für einen solchen Pelletkessel ist der Vitoligno 300-P. Durch seine zweifache Verbrennungsregelung aus Lambdasonde und Temperatursensor sowie eine automatische Anpassung der Heizflächengröße an die aktuellen Betriebsbedingungen (Variopass-Technologie) erzielt dieser moderne Pelletkessel Wirkungsgrade bis 95 %. Selbsttätige Funktionen wie Pelletzuführung, Zündung, Heizflächenreinigung und Brennraum-Entaschung sowie eine elektronische Regelung ermöglichen den vollautomatischen Anlagenbetrieb.
Wird der Austausch eines alten Heizkessels gegen einen Pelletkessel geplant, so ist zu beachten, dass für die Lagerung der Pellets ein entsprechend großer Raum vorhanden sein muss. Zur Lagerung der Holzpellets gibt es verschiedene Möglichkeiten: Entweder in Behältern wie zum Beispiel Sacksilos, die innerhalb des Gebäudes oder in einem Anbau aufgestellt werden, oder in einem gemauerten Pelletlagerraum, der sich üblicherweise im Keller befindet.
Die Größe des jeweils benötigten Lagerraums wird in der Regel so gewählt, dass die für ein Jahr benötigte Brennstoffmenge eingelagert werden kann. Das Lagervolumen eines Sacksilos für die benötigte Jahresbrennstoffmenge in m3 erhält man überschlägig durch Multiplikation der maximalen Gebäudeheizlast (nach DIN EN 12831) in kW mit dem Faktor 0,6. Bei Lagerung in einem Pelletlagerraum wird zur Ermittlung des Lagervolumens die Gebäudeheizlast mit dem Faktor 0,9 multipliziert.
Scheitholz-Vergaserkessel als Ergänzung zu Öl oder Gas
Eine weitere Möglichkeit der Modernisierung ist – ähnlich wie bei einer bivalenten Anlage mit Wärmepumpe – die Installation eines Scheitholz-Vergaserkessels zusätzlich zum vorhandenen Heizkessel. In bivalenten Anlagen mit einem Scheitholz-Vergaserkessel sorgt üblicherweise der Öl- oder Gas-Heizkessel im Sommer für die komfortable Trinkwassererwärmung und deckt in der Übergangszeit den Wärmebedarf für die Wohnraumbeheizung. Im Winter kann dann der Holzkessel parallel zum Öl-/Gas-Heizkessel betrieben werden und hilft so, den Verbrauch des fossilen Brennstoffs zu senken.
Da Scheitholz aufgrund seiner Stückgröße nur grob dosierbar ist, muss bei Scheitholz-Vergaserkesseln in der Regel auch ein Heizwasser-Pufferspeicher oder Kombispeicher in die Anlage integriert werden, der die vom Heizsystem aktuell nicht benötigte Wärme aufnimmt und Leistungsschwankungen ausgleicht.
Je länger im Verlauf einer Heizperiode die Holzfeuerung in Betrieb ist, desto mehr Heizöl oder Gas können gespart werden. Zugleich sorgt der Öl-/Gas-Heizkessel für den gewohnten Komfort. So kühlen zum Beispiel auch bei längerer Abwesenheit der Bewohner die Wohnräume nicht aus, weil kein Scheitholz nachgelegt wurde.
Autor
Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty ist bei den Viessmann-Werken als technischer Redakteur im Bereich der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit tätig, 35108 Allendorf (Eder), Telefon (0 64 52) 70-0, rgw@viessmann.com, https://www.viessmann.de/
