Hybrid-Wärmepumpensysteme: Umweltwärme im Bestand

Bei einer Heizungsmodernisierung in Bestandsgebäuden können Wärmepumpensysteme eine wirtschaftlich interessante Alternative sein – häufig in Kombination mit einem bestehenden konventionellen Wärmeerzeuger. Manchmal ist es aber auch sinnvoll, den bisherigen Wärmeerzeuger komplett durch eine Wärmepumpe zu ersetzen.
Wärmepumpen und Altbau – wie passt das zusammen? Vor dieser Frage stehen Heizungsfachfirmen immer öfter. Denn das Interesse von Gebäudeeigentümern, die ihre Immobilie bislang mit einem Öl- oder Gaskessel beheizen und jetzt teilweise oder ganz auf Umweltwärme umsteigen möchten, wächst stetig. Hohe Systemtemperaturen im Gebäudebestand führen bereits im Vorfeld immer wieder zu der Entscheidung, dass ein Wärmepumpensystem im Altbau unwirtschaftlich sei. Sicher ist aber, dass in vielen Fällen der Einbau eines Wärmepumpensystems durchaus Sinn macht – häufig in Kombination mit einem bestehenden konventionellen Wärmeerzeuger. Eine Einzelfallprüfung lohnt sich also. Bei der Auswahl einer passenden Wärmepumpe spielt die jeweilige Einbausituation eine wesentliche Rolle. In Bestandsgebäuden bietet sich aufgrund der baulichen Gegebenheiten meist die Installation einer Luft/Wasser-Wärmepumpe an. Hier ist der Aufwand, um die Energiequelle zu erschließen, im Vergleich zu einer Tiefenbohrung oder Flächenkollektoren geringer. Ein weiterer Vorteil: Inzwischen sind auf dem Markt verschiedene Split-Lösungen auf Basis der Inverter-Technologie erhältlich, die eine Kombination der Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einem Öl- oder Gas-Heizkessel ermöglichen. So können Anlagenbetreiber den bestehenden Wärmeerzeuger weiter nutzen und die Energiekosten dennoch deutlich reduzieren. Die Verbindung bei Split-Geräten zwischen der Außeneinheit und der Inneneinheit im Gebäude wird über Elektroleitungen und zwei Kältemittelleitungen hergestellt und erlaubt dadurch sehr flexible Aufstellmöglichkeiten. Das effiziente Hybrid-Wärmepumpensystem Logatherm WPLSH in Kombination mit einem Buderus-EMS-Wärmeerzeuger (Gas- oder Öl-Brennwertkessel) deckt als bivalentes System einen Leistungsbereich bis zu 25kW ab (optimaler Einsatzbereich bei bis etwa15kW Wärmebedarf). Der Hauptunterschied zu bisher bekannten bivalenten Systemen: Die Logatherm WPLSH wird von nur einem Regelsystem gesteuert, der Logamatic EMS beziehungsweise EMS plus (in Vorbereitung). Bei der Planung eines Wärmepumpen-Hybridsystems sind einige grundlegende Fakten zu beachten. So ist der Einsatz einer Logatherm WPLSH sinnvoll und realisierbar, wenn nachfolgende technische Randbedingungen erfüllt sind:
– Der zu deckende Wärmebedarf liegt bei weniger als 30.000kWh pro Jahr. Dies entspricht einem Gasverbrauch der Altanlage von maximal 3.000m³ pro Jahr.
– Die Vorlauf-Auslegungstemperatur liegt bei höchstens 60°C.
– Das Verhältnis der Energiepreise Strom zu Gas liegt bei maximal 3,3.
– Das Heizsystem versorgt höchstens drei gemischte und einen ungemischten Heizkreis.
– In der bestehenden Anlage ist ein Gas-Brennwertgerät Buderus Logamax plus GB142, GB152, GB162 oder GB172 oder ein bodenstehender Wärmeerzeuger mit Buderus EMS Regelsystem eingebaut.
Neben der bivalenten Lösung von Wärmepumpen mit einem bestehenden konventionellen Wärmeerzeuger besteht die Möglichkeit, den bisherigen Wärmeerzeuger komplett durch eine Wärmepumpe zu ersetzen. Sie sollte hierbei den Wärmebedarf vollständig decken, lediglich bei tieferen Temperaturen und hohem Wärmebedarf wird bei Luft/Wasser-Wärmepumpen in der Regel bedarfsabhängig ein Elektro-Heizstab zugeschaltet. Die Dimensionierung der Wärmepumpenleistung beeinflusst insbesondere bei monoenergetischen Anlagen die Investitionssumme und die Höhe der jährlichen Energiekosten. Je größer die Leistung der Wärmepumpe, desto höher sind die Investitionen für die Anlage und entsprechend niedriger die Aufwendungen für Energie. Erfahrungsgemäß ist eine Wärmepumpenleistung anzustreben, die bei einer Grenztemperatur von etwa -5°C die Heizkennlinie schneidet. Bei dieser Auslegung ergibt sich gemäß DIN 4701 T10 bei einer solchen Anlage ein Anteil des Elektro-Heizstabes von 2%. Ein Beispiel mit einem Gesamt-Wärmebedarf des Gebäudes von 11kW bei einer Normaußentemperatur von -16°C und einer gewählten Raumtemperatur von 20°C veranschaulicht die Vorgehensweise. Das Diagramm (nächste Seite, oben links) zeigt die Heizleistungskurven von zwei Wärmepumpen für eine Heizwasser-Vorlauftemperatur von 35°C. Die Schnittpunkte (Grenztemperatur beziehungsweise Bivalenzpunkte) aus der Geraden des außentemperaturabhängigen Gebäudewärmebedarfs und den Heizleistungskurven der Wärmepumpen liegen bei rund -5°C für die Wärmepumpe 1 und circa -9°C für die Wärmepumpe 2. Für das gewählte Beispiel ist die Wärmepumpe 1 einzusetzen. Damit eine ganzjährige Beheizung erfolgen kann, muss die Differenz zwischen außentemperaturabhängigem Gebäudewärmebedarf und der Heizleistung der Wärmepumpe durch den Elektro-Heizstab ausgeglichen werden.

Optimale Wärmeverteilung

Ein wesentlicher Aspekt in der Beratung und bei der Planung ist die Frage, wie die Wärme in den Räumen verteilt wird. Niedrige Auslegungstemperaturen führen zu besseren Jahresarbeitszahlen. Betrachtet man dies am Beispiel der Logatherm WPL14 A, so ergibt sich unter Annahme einer Norm-Außentemperatur von 12°C, einem Warmwasseranteil von 18% und einer Vorlauftemperatur von 55°C eine Jahresarbeitszahl von 3,5. Im Vergleich hierzu führt eine Vorlauftemperatur von 35°C zu einer Jahresarbeitszahl von 4,1. In der Regel sind in Bestandsgebäuden Heizkörper eingebaut, die zu groß dimensioniert sind. Eine Überprüfung des Verteilsystems kann bereits ohne großen Aufwand ergeben, dass die vorhandenen Heizkörper mit niedrigeren Vorlauftemperaturen betrieben werden können. Sofern in einigen Räumen eine Reduzierung der Vorlauftemperatur im Auslegungspunkt nicht möglich ist, müssten diese ausgetauscht werden. Hierfür gibt es geeignete Austauschheizkörper mit gleichen Abständen der Vorlauf- und Rücklaufanschlüsse, sodass der Montageaufwand gering ist. Sinnvoll sind zudem ein hydraulischer Abgleich des Gesamtsystems und der Einbau von voreinstellbaren Heizkörperthermostaten.

Weitere Vorteile durch die Verringerung der Heizlast

Eine Verbesserung beim Energiebedarf kann durch eine Verringerung der Heizlast erreicht werden. So lässt sich der Jahresenergiebedarf, den die Wärmepumpe decken muss, durch weitere Maßnahmen wie den Austausch von Fenstern, die Reduzierung von Lüftungsverlusten oder die Dämmung von Geschossdecken, Dachstühlen und Fassaden senken. Grundsätzlich gilt: Mit sinkender Heizlast genügt der Einbau einer Wärmepumpe mit geringerer Leistung, dadurch steigt auch die Wirtschaftlichkeit. Die erforderlichen Vorlauftemperaturen sinken zudem und die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe steigt. Hierbei gilt folgende Faustregel: Eine um ein Grad reduzierte Vorlauftemperatur spart etwa 2,5% Strom beim Betrieb der Anlage.

Fazit

Auch in Bestandsgebäuden kann der Einbau einer Wärmepumpe energetisch und wirtschaftlich sinnvoll sein. In erster Linie sind Luft/Wasser-Wärmepumpen eine interessante Lösung, weil hier der Investitionsaufwand nicht so hoch ist. Seit Wärmepumpen mit Split-Technologie auf dem Markt sind, bietet sich auch die Kombination mit einem bestehenden Öl- oder Gasheizkessel an.

INFORMATION
Stichwort: Jahresarbeitszahl
Die Jahresarbeitszahl entspricht dem Verhältnis zwischen der von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmeleistung und der zugeführten elektrischen Leistung im Verlauf eines Jahres. Sie bezieht sich auf eine bestimmte Anlage unter Berücksichtigung der Auslegung der Heizungsanlage. Je höher die Jahresarbeitszahl, desto höher der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.