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Effiziente Sanierung mit Wärmepumpe plus PV-Anlage

500 Euro im Jahr für Heizen, Licht und Strom

Eine Mustermodernisierung eines typischen Zweifamilien-Altbaus im nordhessischen Bad Emstal belegt sowohl die investive als auch die energetische Sparsamkeit von Hocheffizienz-Luft/Wasser-Wärmepumpen als Sanierungsmaßnahme im mäßig gedämmten Bestand. Monatliche Kosten für Heizung, Licht und Haushaltsstrom total 41,80 Euro. Das Fraunhofer ISE kontrollierte die Werte.

Eine Photovoltaik-Anlage auf einem Dach.
Quelle: Carl Attard / https://www.pexels.com/
500 Euro im Jahr für Heizen, Licht und Strom - Wärmepumpe plus Photovoltaik machen es in Bad Emstal möglich.

"Was heute gebaut wird, prägt die Lebenswelt kommender Generationen", steht auf der ersten Seite der Homepage des IfU Institut für Umweltenergie, Kassel. Eine der Dienstleistungen des IfU ist die technische Beratung von Neubau- und Modernisierungswilligen.

Man kann die Überzeugung auf der Homepage auch so übersetzen: Was heute gebaut wird, gehört mit hoher Wahrscheinlichkeit im Jahr 2050 zum Bestand. Und rund 80 Prozent von dem, was heute schon unter Bestand fällt, wird 2050 ebenfalls bewohnt sein. Gut gebaute Häuser haben eine sehr lange Lebensdauer.

Das gilt allerdings nicht für die Gebäudetechnik. Die erschöpft sich nach 20, 25 oder 30 Jahren. Sie mag dann vielleicht noch funktionieren, doch mit hohen Energieverlusten. Also muss nachhaltiges Bauen den Renovierungszyklus einschließen.

Wie einfach beziehungsweise kosteneffektiv lässt sich Alt gegen Neu tauschen?

Der nachhaltigste "Brennstoff" ist die Solarstrahlung. Bauherren, die auf Heizungssysteme mit dieser Umweltwärme setzen, müssen nicht damit rechnen, eines Tages gezwungen zu sein, den Energieträger zu wechseln. Und Energiepreissteigerungen betreffen bei einer Arbeitszahl um 4 (JAZ) immer nur 25 Prozent des Verbrauchs. Das Prinzip selbst hat ökologischen Bestand.

So sieht es auch das IfU. Es mahnt deshalb auf seiner Homepage mehr als es fragt: "Welche Architektur und welche Technologien hinterlassen wir der Nachwelt?" Am besten natürlich ein Gebäude, das sich selbst versorgt. Das sehr sparsam mit der Energie und allen anderen Ressourcen umgeht, das in der Bilanz von dem leben kann, was ihm die unmittelbare Umwelt anbietet. Darüber hinaus sollten solche Ausführungen, selbst weit nach vorne geschaut, weder die Systemtechnik noch den Energieträger austauschen müssen. Nur verbrauchte Komponenten.

Norbert Orth, Leiter des IfU, lebt das Credo seines Instituts, das sich im Prinzip auf den Imperativ "finanzierbar nachhaltig bauen" verdichten lässt – mit gleichem Gewicht auf finanzierbar wie auf nachhaltig –, in den eigenen vier Wänden vor. Er sieht eine Verpflichtung darin, das Beratungs-Know-how in energieeffizienten Lösungen auf einem eigenen Erfahrungsschatz abzustützen.

Deshalb tauscht Norbert Orth in seinem Wohnhaus regelmäßig Teile der Technik aus – und empfiehlt heute als Konzept für die Sanierung von Ein- und Zweifamilienhäusern die Kopplung einer Hocheffizienz-Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einer PV-Anlage auf dem Dach. Er erklärt anhand von realen Daten, dokumentiert vom Fraunhofer ISE, warum.

Technische Daten im Überblick

Zunächst die bauphysikalischen und technischen Daten des Zweifamilienhauses in Bad Emstal, südwestlich von Kassel: Es stammt aus den vergangenen 90er-Jahren, gebaut nach dem damals gültigen Standard und der damals gültigen Wärmeschutzverordnung mit einem U-Wert für die Fassade von 0,33, für die Fenster (Zweischeibenglas) 1,1, Wohnfläche 250 m2, Ölbedarf – damals stand ein Ölkessel im Keller – 2.500 bis 3.000 Liter pro Jahr für Heizung und Warmwasser. Der reine Heizwärmebedarf dürfte damit rund 100 kWh/m2·a betragen.

Zweifamilienhaus aus den 90er-Jahren.
Quelle: Genath
Der Klassiker: Zweifamilienhaus aus den 90er-Jahren, gebaut lange vor Inkrafttreten der EnEV. Vor zwei Jahren saniert mit PV und Hocheffizienz-Luft/WasserWärmepumpe

Auf dem Dach liegen 70 m2 PV-Module für eine elektrische Spitzenleistung von 9,3 kW. Der Heizkreis setzt sich aus der außen aufgestellten Hocheffizienz-Luft/Wasser-Wärmepumpe Nibe-"F2120" zusammen, dem zugehörigen Speicher mit Regelung im Haus sowie Radiatoren in den beiden Wohnungen.

Eine Nibe-
Quelle: Genath
Den Wärmepumpen-Typ Nibe-"F2120" mit "EVI"-Technologie (Nassdampfinjektion für eine konstante Leistung auch bei tiefen Außentemperaturen) zeichnet eine hohe Effizienz und ein niedriger Geräuschpegel aus.

Gelüftet wird konventionell über die Fenster. "Sehen wir also einmal von der Technik und dem Baumaterial ab, handelt es sich um ein ganz klassisches Standardhaus der damaligen Zeit. Nichts Besonderes. Nachgedämmt wurde lediglich mal das Dach. Und auch die Zweischeibenverglasung stammt nicht aus dem Entstehungsjahr. Wir haben später die Einscheibenfenster ersetzt, leider nur mit einer Zweischeiben- statt mit einer Dreischeibenverglasung. Zu der raten wir natürlich heute unseren Kunden", so Orth.

Das Baumaterial: relativ ungewöhnlich, nämlich Styropor-Bausteine. Die bestehen aus einer Innen- und Außenschale aus Thermoplast (Styropor), zwischen die auf der Baustelle Beton gegossen wird. Verarbeitungsmäßig haben sie den Vorteil, dass sie wie Legosteine ineinandergesteckt werden und so eine Außenwand bereits nach einigen Tagen steht. Trotz des Kunststoffes sind sie bruchstabil. Norbert Orth: "Mit einer Nadel können Sie in jeden Styropor stechen. Aber versuchen Sie mal, ihn mit der flachen Hand einzudrücken – unmöglich!" Druckbelastungen halten sie also aus und können deshalb für Wände, für Decken und für Böden verwendet werden.

Hocheffizienz macht es möglich

Vor gut 20 Monaten, Mitte 2016, ersetzte der Hausherr den Wärmepumpenvorgänger durch die jetzige Nibe-"F2120", um vor allem die Effektivität bei tiefen Außentemperaturen zu erleben: Nach Werksangaben liefert die selbst bei klirrendem Frost von minus 25 °C noch Warmwasser von 63 °C. Ein Rekordwert für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, ohne Heizstab.

"Auf den sollte man verzichten können, denn der setzt immer nur maximal im Verhältnis von 1:1 den vom PV-Absorber gelieferten Strom in Wärme um. Dagegen bedeutet ein COP selbst von nur minimal 2,0 bei sibirischen Temperaturen nichts anderes, als dass Sie für die Selbstversorgung sozusagen nur die halbe Kollektorfläche gegenüber dem Heizstab benötigen. So gesehen spielen sich die Mehrkosten für eine Hocheffizienz-Wärmepumpe schon nach wenigen Jahren ein. Zugegeben, die »F2120« hat einen Heizstab, aber nicht für Spitzenlasten, sondern zur Sicherheit. Als Redundanz. Falls die Wärmepumpe mal streiken sollte."

Der wesentliche Schritt zur Hocheffizienz verbirgt sich in der "EVI"-Technologie in dem Aggregat. Die sorgt für stabile Verhältnisse von Leistung und Vorlauftemperaturen bei jeder Außentemperatur. Dahinter steht eine Nassdampf-Einspritzung, also von verdampftem, kaltem Kältemittel, um den Kältemittelmassenstrom und somit die Verdichterdrehzahl und die Heizleistung weitgehend konstant zu halten.

Denn: Je niedriger die Außentemperatur, umso niedriger muss die Verdampfungstemperatur des Kältemittels sein, um überhaupt noch Wärme aufnehmen zu können. Mit der Abnahme der Verdampfungstemperatur steigt jedoch das Dampfvolumen beziehungsweise fällt die Dichte. Dadurch steht dem Verdichtungsprozess immer weniger Kältemittel (Leistungsabfall) zur Verfügung.

Der herkömmliche frequenzgeregelte Inverterverdichter würde jetzt dauerhaft mit höchster Leistung fahren müssen – und überhitzen. Zum Schutz gegen die Überhitzung regelt er deshalb die Drehzahl herunter. Dadurch sinkt die Heizleistung der Wärmepumpe erheblich. Das "EVI"-Verfahren mit der Injektion des kalten Zweiphasengemischs in den Verdichter kühlt den Prozess und fängt so diesen Leistungsabfall ab.

Bestätigung vom Fraunhofer-Institut

Doch nicht nur das. Die Tieftemperaturfähigkeit alleine spricht nicht unbedingt für die Installation einer doch teureren Hocheffizienz-Wärmepumpe im Vergleich zu einer "Normal"-Ausführung. Wobei allerdings ein Großteil der Mehrkosten in der Regel über die BAFA-Förderung kompensiert werden kann.

Wie oft oder überhaupt wann fällt in Hessen das Thermometer unter -15 °C? Äußerst selten. Generell gilt jedoch, dass Modelle nach dem "EVI"-Prinzip in allen Teillastbereichen effektiver arbeiten als der Standard. Die Optimierung der entscheidenden Komponenten innerhalb der Nibe-"F2120" führt zu einem Norm-SCOP von 5,0.

Als Jahresarbeitszahl (JAZ) kann Norbert Orth einen Wert von 4,0 belegen. Nicht er, sondern das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE belegt ihn. Das führt seit einigen Jahren im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) messtechnische Untersuchungen an Wärmepumpen unter realen Bedingungen durch.

Die Objekte müssen aus den 90er-Jahren oder früher stammen, Luft/Wasser- oder Sole/Wasser-Wärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung nutzen, mindestens 45 °C zu Raumheizzwecken bereitstellen – wie gesagt, der wissenschaftliche Feldtest bezieht sich auf die Tauglichkeit für den Bestand mit überwiegend Radiatorheizung und einem früheren Ölkessel – und für die Raumheizung ohne solarthermische Unterstützung auskommen. Das Fraunhofer ISE hat eine umfangreiche Messtechnik in Bad Emstal installiert. Das heißt, alle vorgelegten Zahlen und Ergebnisse entsprechen nicht den Versprechungen eines Hochglanzprospekts. Sie sind real!

Kostenminimierendes Energiemanagement

Zu diesen Realitäten gehört, dass das mit der "F2120" modernisierte Orthsche Standardhaus, das als Musterhaus den IfU-Modernisierungskunden offen steht, aktuell mit 41,80 Euro pro Monat für Heizung, Warmwasser und Strom, für beide Wohnungen zusammen, auskommt. Also 500 Euro im Jahr für 250 m2 Wohnfläche. Die Auswertung der zwölf Monate November 2016 bis Oktober 2017 ergab diesen Betrag. Für das IfU ist damit die installierte Hocheffizienz-Wärmepumpe plus PV die wirtschaftlich-effizienteste Modernisierungslösung für den Bestand – problemlos kopierbar. Das Institut präferiert sie deshalb in den Beratungsgesprächen.

Zu den geringen Jahresenergiekosten trägt ebenfalls das integrierte Energiemanagement bei, das eine individuelle Programmierbarkeit zulässt, die sich am Tagesprofil des Nutzers orientiert. Die Photovoltaik bemüht sich zunächst, den Eigenbedarf abzudecken. Bei einer Einspeisevergütung von 12,6 Cent/kWh und einem zu bezahlenden Stromtarif von 28 Cent/kWh hat die Selbstversorgung selbstverständlich Vorrang.

Die Daten der Wärmepumpe aus dem Jahr 2017.
Quelle: Genath
Daten für das Jahr 2017. Der Heizstab hat nur Redundanzfunktion. Die Verbrauchsangabe (20,9 kWh) rührt daher, dass bei der Inbetriebnahme der Wärmepumpe vergessen wurde, ihn auszuschalten.

Allerdings bleibt unter dem Strich bei einem Bestandsgebäude mit einer Wärmelast von 100 kWh/m2·a regelmäßig ein Strom-Defizit. Das hält sich jedoch in Grenzen: deshalb, weil es in mittäglichen Sonnenstunden zu einer Überproduktion kommt, die in Bad Emstal in einen Heizwasserpuffer fließt und testweise ebenfalls in eine elektrische Speicherbatterie. So bleibt sie dem Haus erhalten.

Ferner fährt die Regelung bei praller Sonne auf eine etwa 2 bis 3 °C höhere Raumtemperatur. Wände, Mobiliar und andere Einrichtungen speichern diesen Überschuss und konservieren ihn für die Abendstunden. Das wirkt sich in der Energiebilanz aus. Wie auch die Nachtabsenkung. Trotzdem muss an Tagen mit strahlend blauem Himmel ein Restertrag preiswert an den regionalen Versorger abgegeben und nachts, wenn das Dach keinen Strom generiert, teuer zurückgekauft werden. Die Phasenverschiebung von Angebot und Bedarf im radiatorbeheizten Altbau mit Puffern abzufangen, gelingt nur in Maßen.

Weiterführende Informationen: https://www.nibe.de

Dienstag, 24.04.2018