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Brennwertheizkessel + Luft/Wasser-Wärmepumpe

Mit Hybrid-Heizsystemen CO2-Emissionen verringern

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.

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.

Auch im Klimakabinett gab es am 20. September 2019 erst noch umzusetzende Beschlüsse, mit denen die Senkung der CO2-Emissionen für Gebäude- und Heiztechnik erreicht werden soll. 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 Warmwasser-Komfort bieten.

Diese Bedingungen erfüllen Hybrid-Heiz­systeme sehr gut, 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.

Bild 2 CAT-Wohnungsstation. In Hybrid-Heizsystemen können sie die hohen Anforderungen im Neubau wirtschaftlich und ohne Kompromisse erfüllen.

Bild: Wolf

Bild 2 CAT-Wohnungsstation. In Hybrid-Heizsystemen können sie die hohen Anforderungen im Neubau wirtschaftlich und ohne Kompromisse erfüllen.

Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid: Viele Vorteile und Zukunftsoptionen

Ein Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid eignet sich sowohl für den Einsatz im Neubau als auch im Gebäudebestand. Abhängig vom Gebäude und der Einsatzart bietet es 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 (Bild 2) im Mehrfamilienhausbereich kombinierbar.

·          Die Investitionskosten sind im Vergleich zu einer reinen Wärmepumpenlösung in der Regel geringer.

Bild 3 Der Schichtenspeicher BSP-W-SL ist speziell für Wärmepumpen und die effiziente ­Nutzung von Solarthermie konzipiert.

Bild: Wolf

Bild 3 Der Schichtenspeicher BSP-W-SL ist speziell für Wärmepumpen und die effiziente ­Nutzung von Solarthermie konzipiert.

·          Die gesetzlichen Vorschriften von EEWärmeG / EnEV und soweit absehbar des zukünftigen Gebäudeenergiegesetzes (GEG) sowie 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 Preis-Flexibilität 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.

Hybrid-Heizsysteme mit Puffer- und Warmwasserspeicher-Konzept optimiert nutzen

Vorteilhaft ist zudem, dass sich Hybrid-Heiz­systeme in Verbindung mit einem jeweils ­projektbezogenen, individuellen Puffer- und Warmwasserspeicher-Konzept optimiert nutzen lassen. Beispiel: Im Mehrfamilienhaus-Neubau wird oft auf größere Pufferspeicher­lösungen zurückgegriffen, um die Laufzeiten der Wärmepumpe zu optimieren. Hierbei ist beispielsweise der Wolf-Schichtenspeicher BSP-W (Bild 3) 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.

Bild 4 Beispielprojekt: Neubau-MFH mit 8 Wohneinheiten

Bild: Wolf

Bild 4 Beispielprojekt: Neubau-MFH mit 8 Wohneinheiten

Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid: 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 ((Bild 5) schwarz).

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 ((Bild 5) rot).

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.

Abschalt- und Bivalenzpunkt ermitteln

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 EVU-Sperrzeiten bei Wärmepumpenstromtarifen. Variable Kriterien können zum Beispiel sein: Photovoltaikstrom-Überschüsse, CO2-Emissionen und unterschiedliche Energietarife.

Alternativ, parallel oder teilparallel – aufs Projekt kommt es an

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 Fachplanern und Fachhandwerkern, als auch aus der Sicht des
Investors bzw. Hauseigentümers: Der Mehr­familienhaus-Neubau und die (Teil-)Sanierung im Eigenheimbereich.

Bild 5 Bivalente Hybrid-Heizsysteme

Bild: Wolf

Bild 5 Bivalente Hybrid-Heizsysteme

Hybrid-Heizsysteme im Mehrfamilienhaus

Kleine und mittlere Mehrfamilienhäuser im Trend

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.

Heizsystem muss viele Kriterien erfüllen

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-Wärmepumpe 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.

Gas-Brennwerttechnik mit Luft/Wasser-Wärmepumpe kombinieren

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 (Bild 4). Hauptvorteile:

·          Bei der eingesetzten Luft/Wasser-WP, etwa einer BWL-1S(B) in Splitbauweise oder dem neuen Modell CHA-Monoblock von Wolf, kann die Heizleistung relativ klein gewählt werden. Dadurch ist sie kostengünstiger und kompakter gebaut, arbeitet leiser und ist dennoch förderfähig. Als fossile Partner mit einer deutlich höheren Heizleistung empfehlen sich beispielsweise die Gas-Brennwertgeräte CGB-50/75/100 (Bild 1). Für das effiziente und sichere Zusammenwirken der Wärmeerzeuger sorgt ein intelligentes Regelgerät, wie das Wolf-Bedienmodul BM-2 (Bild 8), das optional auch eine App-, PC- und Smarthome-Anbindung, und somit auch eine Anlagenferndiagnose durch den Fachhandwerker, ermöglicht.

·          Zwei redundante Wärmeerzeuger bieten dem Vermieter/Bauträger sowie dem Fachhandwerker zusätzlichen Ausfallschutz bzw. Schutz vor Beanstandungen. Denn Anlagenausfälle ziehen inzwischen immer sofortige Mietminderungen nach sich. Auch Wohnungsstationen zur Heiz- und Warmwasserversorgung sind problemlos möglich, was bei reinen Wärmepumpen-Lösungen 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 zwar auch mit Gas-Brennwerttechnik und Solarthermie erfüllen, was meistens aber an den höheren Kosten scheitert – 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.
Beispiel: Bei einem angenommenen Deckungsanteil der Wärmepumpe von 61 % beim Bivalenzpunkt 5 °C beträgt der Leistungsanteil nur 19 %. Zum Vergleich: Im bivalent alterna­tiven Betrieb muss die Wärmepumpe 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 %.

Bild 6: Beispielprojekt: EFH-Sanierung Baujahr 1980

Bild: Wolf

Bild 6: Beispielprojekt: EFH-Sanierung Baujahr 1980

Hybrid-Heizsysteme im Eigenheimbereich

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 (Bild 6) 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.

Heizleistungsgrößen

In der Regel verfügen beide Wärmeerzeuger über ähnlich große Heizleistungsgrößen. 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, beispielsweise der Wärmepumpe CHA-10/400V in Monoblockbauweise (7) sowie der Gas-Brennwerttherme CGB-2-20, ist es möglich, intelligente Betriebsweisen im Wolf-Bedienmodul BM-2 (Bild 8) zu hinterlegen:

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

·          Ökologisch: Wärmepumpenlaufzeit so lange wie möglich (bivalent paralleler-Betrieb).

Bild 7: CHA-Wärme­pumpe in Monoblockbauweise. Ein besonderer Vorteil ist eine Vorlauftemperatur von bis zu 70 °C für den thermischen ­Legionellenschutz ohne Aktivierung eines direktelektrischen ­Heizelements.

Bild: Wolf

Bild 7: CHA-Wärme­pumpe in Monoblockbauweise. Ein besonderer Vorteil ist eine Vorlauftemperatur von bis zu 70 °C für den thermischen ­Legionellenschutz ohne Aktivierung eines direktelektrischen ­Heizelements.

Mehr Autarkie für Hausbesitzer

In Verbindung mit der EEBus-Schnittstelle und weiterer 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.

Wann monoenergetisches Wärmepumpensystem einsetzen?

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 Warmwasser-Bedarf 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.

Bausubstanz und Bewohnergesundheit schützen

Bei einer Heiztechnikkonzeption sollte bei neuen und sanierten Niedrigenergie-Gebäuden 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.

Bild 8: Bedienmodul BM-2 für die intuitive Haustechnik-Steuerung, Systemver­netzung und Möglichkeiten für eine Betriebsoptimierung nach unterschied­lichen Aspekten.

Bild: Wolf

Bild 8: Bedienmodul BM-2 für die intuitive Haustechnik-Steuerung, Systemver­netzung und Möglichkeiten für eine Betriebsoptimierung nach unterschied­lichen Aspekten.

Literatur

[1] Bivalente Wärmepumpen-Systeme: BDH-Informa­tionsblatt Nr. 57. Köln: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie, März 2019

[2] Planung und Auslegung des Systems PV-Anlage, Wärmepumpe und Speicherung; BDH-Informationsblatt Nr. 70. Köln: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie, April 2018

[3] Wärmepumpen, BDH-Informationsblatt Nr. 25. Köln: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie, März 2019

Dieser Artikel ist eine Überarbeitung des Artikels „Gemeinsam stärker und zukunftssicher“ von M.Eng. Martin Bauer, erschienen in TGA 10-2019.

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