Alles aus einer Hand - Wärmepumpe, thermische Solaranlage und Flächenheizung/-kühlung: Komplettsysteme bringen Vorteile

In den letzten Jahren haben Hausbesitzer ihr Bewusstsein für Energie stark ausgeprägt. Ein Hauptgrund sind die stetig steigenden Kosten. Die Folge ist, dass immer mehr Immobilienbesitzer die Modernisierung ihrer Heizungssysteme planen. Darüber hinaus verabschiedete das europäische Parlament die EU-Gebäuderichtlinie 2010/31/EU mit dem Ziel, bis 2021 den Gebäudeenergiebedarf für Neubauten auf den Standard einen Niedrigenergiehauses* zu senken. Hieraus resultiert, dass immer mehr Bauherren effiziente Heizsysteme auf Basis Erneuerbarer Energien fordern. Eine Kombination aus Wärmepumpe, solarthermischer Anlage und Flächenheizung/-kühlung hat sich hierbei als geeignet erwiesen.
Bei der Beratung des Bauherrn ist es wichtig, sich nicht nur vom Preis lenken zu lassen. Denn die Kombination der günstigsten Wärmepumpe mit der günstigsten solarthermischen Anlage muss noch lange nicht effizient sein. Aber auch der Einsatz von hochwertigen Komponenten alleine macht noch kein effizientes, gut funktionierendes Heizsystem.
Der Schlüssel hierfür ist die Optimierung der einzelnen Schnittstellen. Dies stellt Planer und Installateure immer wieder vor Herausforderungen. Denn eine gute Anlage muss von der Planung über die Auswahl der idealen Komponenten bis hin zur fehlerfreien Montage und Inbetriebnahme perfekt aufeinander abgestimmt sein. Die Lösung hierfür ist, ein komplettes System aus einer Hand zu beziehen.

Wärmepumpen im Überblick

Neben einer gut gedämmten Gebäudehülle ist für den Bauherrn der Einsatz einer leistungsfähigen Heizungsanlage wichtig. Beispielsweise liegt für ein frei stehendes Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 180m², das nach dem aktuellen Baustandard der EnEV (Energieeinsparverordnung) errichtet und von vier Personen bewohnt wird, die Heizlast bei etwa 9 kW. Dabei werden die Räume mithilfe von Einzelraumregelungen über Flächenheizsys­teme im Winter (35°C/28°C) beheizt und in den Sommermonaten passiv gekühlt.
Zusätzlich sollte auf die perfekte Abstimmung der gesamten Heizungsanlage – von der Wärmequelle über die Wärmeerzeugung und Wärmespeicherung bis hin zur Wärmeverteilung sowie -abgabe – Wert gelegt werden. Ausführende Unternehmen können davon profitieren, optimal aufeinander abgestimmte Komponenten aus einer Hand zu beziehen. Gleichzeitig erhalten sie Unterstützung bei der Planung, Tipps und Tricks zum Einbau und Serviceleistungen wie Inbetriebnahme, Fehlerbehebung und Wartung.
Bleibt allerdings die entscheidende Frage, welcher Wärmeerzeuger ausgewählt werden sollte. Wärmepumpen weisen niedrige Betriebskosten auf. Sie arbeiten nahezu wartungsfrei, können zusätzlich auch zur Gebäudekühlung verwendet werden und erreichen bei richtiger Auslegung Jahresarbeitszahlen von über 4. Das bedeutet, dass aus 1 kWh Strom mehr als 4 kWh Wärme erzeugt werden können.
Die Wärmepumpe kann ihre Umweltenergie aus unterschiedlichsten Wärmequellen beziehen, beispielsweise dem Erdreich, Grundwasser oder der Umgebungsluft. Wird Erdwärme als Quelle genutzt, bieten sich nochmals verschiedene Varianten an. Hierfür können Erdwärmesonden, Helixsonden** oder Erdkollektoren eingesetzt werden.

• Sole-/Wasserwärmepumpe mit Sonden

Für das Gebäude mit der Heizlast von 9 kW wird aufgrund einer täglichen Sperrzeit des Wärmepumpenstroms von 2-mal zwei Stunden eine Wärmepumpe mit 10kW ausgewählt. Die Entzugsleistung, welche die Wärmequelle zur Verfügung stellen muss, liegt abhängig vom COP bei etwa 7,0 bis 7,5 kW. Werden Erdwärmesonden eingesetzt, sind bei durchschnittlicher Entzugsleistung von etwa 50W/m aus dem Erdreich zwei Sonden mit einer Tiefe von jeweils rund 80 m erforderlich. Die Investitionskosten hierfür variieren je nach Region und Bodenbeschaffenheit und belaufen sich auf etwa 10000 bis 15000 Euro.

• Sole-/Wasserwärmepumpe mit Helixsonden

Um eine vergleichbare Leistung für das Beispielhaus mit Helixsonden aus der Erde zu erreichen, empfiehlt sich der Einsatz von 15 Sonden (durchschnittlich etwa 500W pro Sonde). Bei einem Preis von 500 bis 600 Euro je Sonde, ergeben sich für den Bauherrn damit Kosten von etwa 7500 bis 9000 Euro.

• Sole-/Wasserwärmepumpe mit Erdkollektor

Der Erdkollektor mit einer Größe von ca. 385 m² liefert auch die notwendige Leis­tung für die Wärmepumpe. Die Kos­ten hierfür belaufen sich auf etwa 7500 bis 9500 Euro.

• Wasser-/Wasserwärmepumpe

Mit Sole-/Wasserwärmepumpen können also bereits hohe Jahresarbeitszahlen erreicht werden, die mit Wasser-/Wasserwärmepumpen sogar noch zu übertreffen sind. Denn das Grundwasser ist wohl die effizienteste Wärmequelle, da seine Temperatur über das ganze hin Jahr weitgehend konstant ist. Diese Wärmequelle kann jedoch nicht an jedem Standort genutzt werden. Hierfür sind wie bei der Nutzung von Erdwärme Bodengutachten erforderlich, die auf Basis von Erkenntnissen aus Probebohrungen erstellt werden. Durch die notwendigen Genehmigungsverfahren kann erhöhter Aufwand anfallen. Für das Einfamilienhaus belaufen sich die Kosten für die Bohrung und Errichtung der Grundwasserbrunnen auf etwa 10000 bis 15000 Euro.

• Luft-/Wasserwärmepumpe

Für Luft-/Wasserwärmepumpen gelten solche Beschränkungen nicht, denn Luft ist immer vorhanden. Allerdings ist sie über das Jahr erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt und im Winter, wenn der höchste Heizwärmebedarf besteht, am kältesten. Mit abnehmender Temperatur der Außenluft sinkt die Leistung der Luft-/Wasserwärmepumpe. Und bei sehr niedrigen Temperaturen ist zusätzlich ein Heizstab erforderlich, um die Beheizung des Gebäudes zu gewährleisten.
Wird Luft als Wärmequelle ausgewählt, entfallen vergleichsweise zu Grundwasser und Erdreich die Kosten für die Wärmequelle. Dafür liegen die Anschaffungskos­ten für eine Luft-/Wasserwärmepumpe für das beispielhafte Einfamilienhaus (vier Personen, Wohnfläche 180m²) bei 11000 bis 15000 Euro.

Solarthermische Anlage als optimale Systemergänzung

Durch die steigenden energetischen Anforderungen an Gebäude sinkt der Gebäudewärmebedarf. Da der Heizwärmebedarf bei gleichbleibendem Warmwasserverbrauch sinkt, nimmt der erforderliche Wärmeanteil zur Trinkwassererwärmung prozentual zu. Die Wärmepumpe selbst erreicht bei niedrigen Systemtemperaturen eine höhere Leistungszahl. Je geringer also die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke (Flächenheizung) ist, desto effizienter arbeitet sie.
Für die Trinkwarmwassererwärmung muss diese aber deutlich höhere Systemtemperaturen (etwa 60°C) erzeugen, wodurch die Differenz zwischen der Wärmequellen- und der Wärmesenkentemperatur ansteigt und die Effizienz der Wärmepumpe abnimmt. Daher springt für die Warmwasserbereitung idealerweise eine solarthermische Anlage ein. Ein Speicher bietet die notwendige Reserve für Schlechtwettertage.
Eine solarthermische Anlage kann übers Jahr gerechnet bis zu 60% zur Trinkwassererwärmung beitragen. Dadurch sinkt der Primärenergiebedarf des 180m² großen Hauses um bis zu 10%. In den Monaten April bis September kann die solarthermische Anlage den Trinkwasserbedarf fast vollständig decken. Dabei ist die Überlegung durchaus sinnvoll, eine größere Kollektorfläche für die kombinierte Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung zu wählen, um einen Teil der Raumwärme mit Solarwärme zu decken. Die Kosten für die Solaranlage liegen je nach Einsatzzweck bei etwa 2000 bis 5000 Euro.

Wärmespeicherung, Flächenheizung Regelungstechnik

Um die von der Wärmepumpe und solarthermischen Anlage erzeugte Wärme effizient für Heizung und Trinkwarmwasser nutzen zu können, sind spezielle Systemspeicher erforderlich. Für eine effiziente Schichtung der Temperatur wird das Pufferwasser für Heizung und Trinkwarmwasser in zwei Zonen des Speichers eingespeist. Die Speicherbereiche sind mit einer Platte voneinander getrennt, um eine optimale Temperaturaufteilung ohne Durchmischen im Speicher zu gewährleisten.
In Kombination mit einer Frischwasserstation wird das Trinkwasser im Bedarfsfall aus dem oberen Bereich des Speichers im Durchfluss erwärmt. Somit wird gewährleistet, dass kein stehendes warmes Trinkwasser bevorratet wird, das die Bildung von Legionellen begünstigen würde.
Die Zirkulation lässt sich problemlos einbinden und arbeitet bedarfsgerecht bei der Entnahme oder zu definierten Zeiten. Die Kosten für dieses hygienische System, bestehend aus Speicher und Frischwasserstation, liegt für ein Einfamilienhaus mit vier Personen bei etwa 2500 bis 4000 Euro.
Um die Heizwärme bei niedrigen Temperaturen an die Räume abzugeben, kommen Flächenheizungssysteme zum Einsatz. Über diese kann im Sommer bei Bedarf auch gekühlt werden. Optimal auf die weiteren Komponenten des Systems abgestimmt, werden hier Fußboden-, Wand- oder Deckenheizungssysteme installiert, sowohl in Nass- als auch in Trockenbauweise. Für das Beispielhaus liegen die Investitionen zwischen 5000 und 8000 Euro.
Darüber hinaus ist eine gemeinsame Regelung aller Wärmeerzeuger empfehlenswert. Ansonsten besteht immer die Gefahr, dass viele Vorteile der Kombination verschiedener Erneuerbarer Energiequellen verloren gehen. So ist gewährleistet, dass z.B. die Wärmepumpe abgeschaltet wird, wenn die Solarthermieanlage ausreichend Energie für die aktuelle Versorgung der Immobilie zur Verfügung stellt.

Fazit

Die Kombination gut aufeinander abgestimmter Komponenten aus einer Hand, von der Wärmequelle bis hin zur Wärmeabgabe mit der Regelungstechnik, gewährleis­tet den optimalen Betrieb. So können Fehler bereits bei der Planung vermieden werden, um die beste Wirkung des Systems zu erreichen.

Anlagenhydraulik zum Heizen, zur Trinkwassererwärmung und zur passiven Kühlung

Das dargestellte Schema zeigt ein mögliches Heizungssystem für den Neubau: Wärmepumpe, solarthermische Anlage und Flächenheizung/-kühlung.
Die Wärmepumpe (1) ist das Herz der gesamten Anlage. Sie entzieht der Wärmequelle (2) Energie und speist sie in den Speicher (3) ein. Der obere Speicherbereich dient der Pufferung des Heizungswassers für die Trinkwassererwärmung über eine Frischwasserstation. Im unteren Speicherteil befindet sich das Pufferwasser, das die Heizkreise der Flächenheizung (4) mit niedrigerer Temperatur versorgt. Geteilt werden die beiden Zonen durch eine Schichtentrennplatte. Die von der Wärmepumpe gelieferte Energie wird über zwei 3-Wege-Umschaltventile im Wärmepumpenvor- und -rücklauf entweder oben oder unten eingespeist.
Die Brauchwasservorrangschaltung sorgt dafür, dass die Bewirtschaftung des Trinkwasserbereichs vorrangig behandelt wird. Während der Trinkwarmwasserbereitung wird der Mischer des Heizkreises (4) geschlossen und die Heizungswälzpumpe ausgeschaltet. Neben der Wärmepumpe (1) speist die solarthermische Anlage (5) die in den Kollektoren erzeugte Wärme über einen integrierten Glattrohrwärmetauscher in den Speicher ein.
Die Wärmepumpe (1) kann neben der Wärmeerzeugung für Heizung und Trinkwarmwasser in den Sommermonaten auch zur aktiven oder passiven Kühlung eingesetzt werden. Bei der aktiven Kühlung unternimmt die Wärmepumpe eine Umkehrung des Kälteprozesses (auch reversibler Betrieb genannt), indem sie der Heizungsseite die Wärme entzieht und der Wärmequelle zuführt.
Nutzt die Wärmepumpe nicht die Umgebungsluft, sondern das Grundwasser oder Erdreich als Wärmequelle (2), kann sie auch die passive Kühlung übernehmen. Dafür wird ein Kühlwärmetauscher (6) eingesetzt, der in die Zuführung der Wärmequelle (2) eingebunden wird und über Umschaltventile angesteuert wird. Dieser Wärmetauscher entzieht im Sommer der Flächenheizung über die jetzt relativ kalte Sole oder das Grundwasser die Wärme. Im Gegensatz zur aktiven arbeitet bei der passiven Kühlung der Kompressor der Wärmepumpe nicht und es wird lediglich die Antriebsenergie für die Umwälzpumpen benötigt.

*) Niedrigenergiegebäude weisen eine sehr hohe Energieeffizienz auf. Der sehr geringe Energiebedarf sollte zu einem wesentlichen Teil aus Erneuerbaren Energien gedeckt werden.

**) Helixsonden sind für geringe Tiefen optimierte Erdwärmsonden, die durch eine Spiralform wesentlich mehr Fläche zur Aufnahme der thermischen Energie bieten.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Nicolai Eller, Produkt­manager Region Zentraleuropa, Rehau AG + Co

Bilder: Rehau

www.rehau.de