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Ein Hybridsystem mit Brennwertheizkessel und Luft/Wasser-Wärmepumpe kombiniert zahlreiche Vorteile der beiden Wärmeerzeuger und bietet die Möglichkeit, langfristig auf Änderungen im Energiesystem flexibel zu reagieren.
Werden vergleichsweise einfach zu realisierende Bedingungen erfüllt, können die verwendeten Wärmepumpen auch im Neubau über das Marktanreizprogramm gefördert werden.
Eine Wärmepumpe kann im bivalenten Betrieb mehr als 50 % der benötigten Heizenergie decken, auch wenn ihr Leistungsanteil im Vergleich zum fossilen Wärmeerzeuger deutlich geringer ist.
Eine Hybridlösung ist besonders für den Mehrfamilienhaus-Neubau geeignet, weil sich hier eine reine Wärmepumpenlösung oft nicht realisieren lässt.
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
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: Wolf
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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:
geringer ausgelegt ist. Erforderlich ist dazu eine Wärmepumpe mit „SG-Ready“-Schnittstelle.
von den zu erwartenden Emissionen im aktuellen Betriebspunkt.
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 (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.
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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 ((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 ((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.
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.
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.
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Hybrid-Heizsysteme 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-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.
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 (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 (1). Für das effiziente und sichere Zusammenwirken der Wärmeerzeuger sorgt ein intelligentes Regelgerät, wie das Wolf-Bedienmodul BM-2 (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 Deckungs-
anteil 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 %.
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Hybrid-Heizsysteme im Eigenheimbereich
Im Ein- und Zweifamilienhaus ist ein Brennwert-Wärmepumpen-Hybrid vor allem dann interessant, wenn eine Heizungsmodernisierung ansteht, und der Hausbesitzer
vorhandener moderner (Brennwert-)Wärmeerzeuger mit einer neuen Luft/Wasser-Wärmepumpe kombiniert werden.
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 (8) zu hinterlegen:
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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.
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.
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.
Literatur
[1] Bivalente Wärmepumpen-Systeme: BDH-Informationsblatt Nr. 57. Köln: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie, März 2019, Download auf: www.bdh-koeln.de
[2] Planung und Auslegung des Systems PV-Anlage, Wärmepumpe und Speicherung; BDH-Informationsblatt Nr. 70. Köln: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie, April 2018, Download auf www.bdh-koeln.de
[3] Wärmepumpen, BDH-Informationsblatt Nr. 25. Köln: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie, März 2019, Download auf www.bdh-koeln.de
Bild: Wolf
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