Kombisysteme mit Abluftwärmepumpe, Holzpelletheizung und SolaranlageEin neuer Ansatz zur nachhaltigen Wärmeversorgung von Niedrigenergiehäusern

Ausgangspunkt des Forschungsvorhabens war die Überlegung, dass insbesondere im Gebäudebestand neue Konzepte bei der Wärmeversorgung entwickelt werden müssen, damit wirklich nachhaltige Zielwerte für den Energieverbrauch erreicht werden können. Denn auch nach einer energetischen Modernisierung auf Niedrigenenergiehaus-Niveau wird man mit konventionellen Wärmeversorgungslösungen den langfristigen Klimaschutzanforderungen im Allgemeinen noch nicht gerecht werden können.

Bild 1: Heizungsbereitung über Solarwärme.

Vor diesem Hintergrund wurden in dem Projekt „Kombisysteme“ aus Abluft-Wärmepumpe, Pelletofen bzw. -kessel und Solaranlage untersucht. Das Zusammenspiel der drei unterschiedlichen Wärmeerzeuger lässt sich folgendermaßen beschreiben:
•    Die Solaranlage liefert den Warmwasserbedarf im Sommerhalbjahr und trägt zur Unterstützung der Wärmeversorgung im Winter bei.
•    Die Abluftwärmepumpe vermag mit ihrer kleinen Leistung einen Sockel-Wärmebedarf im Winterhalbjahr abzu­decken. Durch die hohe Temperatur der Wärmequelle Abluft (ca. 20 °C) lässt sich mit der elektrisch betriebenen Wärmepumpe auch bei heutigem Strommix eine gute primärenergetische Effizienz erreichen. Aufgrund der verwendeten Wärmequelle ist jedoch die Leistung und damit auch der Gesamtbeitrag zur Wärmeversorgung begrenzt.
•    Der zusätzliche Heizwärmebedarf an den kälteren Wintertagen wird durch einen Holzpelletofen bereitgestellt. Moderne, automatisch geregelte Geräte erlauben die Einspeisung der Wärme in ein herkömmliches Wärmeverteilungssystem mit Heizkörpern und in einen Warmwasserspeicher. In dem hier vorgeschlagenen Konzept ist der mit Holz befeuerte Ofen also Bestandteil des Gesamtkonzepts und nicht, wie sonst häufig, eine additive Zusatzoption. Da er die Funktion der Spitzenlastwärmeerzeugung übernimmt und somit nur einen Teil der Gesamtwärme liefern muss, ist der den Benutzern entstehende Aufwand für die Beschickung des Ofens dennoch begrenzt.
Neben dieser „dezentralen Variante“ mit Pelletofen, bei der die Einzelkomponenten weitgehend innerhalb der Wohnung installiert werden können, wurde – am Beispiel eines Mehrfamilienhauses – auch eine „zentrale Variante“ mit im Keller aufgestelltem Pelletkessel untersucht. Zur Berechnung der Energiebilanz wurden Analysen mit dem dynamischen Simulationsprogramm TRNSYS durchgeführt.

Bild 2: Heizungsbereitung über die Wärmepumpe.

Systemkonfiguration und Regelungskonzept
Eine zentrale Stellung nimmt der Wärmespeicher ein, der für alle drei Wärmeerzeuger von Bedeutung ist:

•    für die thermische Solaranlage aufgrund der zeitlich unregelmäßigen Sonneneinstrahlung,
•    für die Abluftwärmepumpe, damit diese auch in Zeiten mit geringem Wärmebedarf möglichst durchgängig laufen und somit trotz relativ geringer Leistung ihre Rolle als Grundlast-Wärmeerzeuger erfüllen kann,
•    für den Pelletkessel bzw. -ofen, damit dieser eine aus Sicht des Anlagenbetriebs (Überwindung der Anfahrphase) und der Emissionsminderung sinnvolle Mindestlaufzeit erreichen und die dabei entstehenden Wärmeüberschüsse abführen kann.
Die folgenden Grafiken zeigen das Anlagenschema für das dezentrale System in verschiedenen Betriebszuständen. In Bild  1 ist die Gebäudeheizung an einem Tag mit hoher Solareinstrahlung gezeigt, zum Beispiel in der Übergangszeit, an dem die in den Speicher eingespeiste Wärme aus­reicht, um im mittleren Speicherabschnitt die für die Heizung gewünschte Vorlauftemperatur zu erreichen, d. h. die Temperatur am Speicherfühler in Höhe des Abgangs für den Heizungsvorlauf TSp_Hz liegt über der Vorlaufsolltemperatur für den Heizkreis. Entsprechend wird der Heizkreis aus diesem Abschnitt versorgt, ohne dass weitere Wärmeerzeuger in Betrieb genommen werden müssen. Ist der Speicher wärmer als nötig, wird über das Ventil V1 kaltes Wasser aus dem Heizungsrücklauf zugemischt.
Wenn die im Speicher vorrätige Solarwärme verbraucht ist, übernimmt die Wärmepumpe den Heizbetrieb. Dieser Fall ist in Bild 2 dargestellt. Die Solaranlage wird hier – wie in allen Betriebsphasen – natürlich weiterhin ergänzend Energie einspeisen, wenn sie ein Temperaturniveau oberhalb des Wertes im untersten Speicherabschnitt (TSP,Sol) erreichen kann.

Bild 3: Warmwasserbereitung über die Wärmepumpe.

In ähnlicher Weise erfolgt die Warmwasserbereitung: Im Sommer und an sonnigen Tagen in der Übergangszeit wird das erforderliche Temperaturniveau im obersten Speicherabschnitt zumeist allein von der Solaranlage erzeugt. Bild 3 zeigt demgegenüber den Fall, dass bei schlechterem oder kühlerem Wetter auch die Wärmepumpe zugeschaltet werden muss. Diese versorgt dann das oberste Speichersegment, aus dem sich die Frischwasserstation bedient, die ihren (im Idealfall annähernd auf das Kaltwasser-Temperaturniveau abgekühlten) Rücklauf immer unten in den Speicher einspeist.
Die Einspeisung der Wärmepumpe in das mittlere Speichersegment (für die Heizung) und das obere Speichersegment (für die Warmwasserbereitung) wird also zu Beginn des Winters, wenn der Beitrag der Solaranlage schwächer wird, abwechselnd stattfinden. Dabei wird in der Regel eine Vorrangschaltung für die Warmwasserversorgung sinnvoll sein. Zu dieser Zeit wird die von der Heizung geforderte Vorlauftemperatur noch vergleichsweise niedrige Werte deutlich unterhalb der Auslegungstemperatur aufweisen, so dass die separate Nachladung des mittleren Speichersegments in Bild 2 mit reduziertem Temperaturniveau gegenüber der Nachladung des obersten Abschnitts in Bild 3 Vorteile für die Effizienz der Wärmepumpe verspricht.

Bild 4: Gleichzeitiger Betrieb von Wärmepumpe und Pelletofen.

Bei fortschreitender Heizperiode und sinkenden Außentemperaturen ist die Wärmelieferung der Abluftwärmepumpe nicht mehr ausreichend, um die Heizung und Warmwasserversorgung allein übernehmen zu können. Hier wird dann, wie in Bild 4 gezeigt, der Pelletofen mit zugeschaltet. Dargestellt ist eine Schaltungsvariante, bei der die Wärmepumpe mit dem Ofen verbunden ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Wärmepumpe hydraulisch vom Ofen zu trennen und sie über einen separaten Anschluss immer in das mittlere Segment einspeisen zu lassen. Diese Variante wurde in den Simulationsrechnungen untersucht.
In dem Fall, dass die Temperatur des aus dem mittleren Speichersegment entnommenen Heizungsvorlaufs unterhalb der Solltemperatur liegt, wird über das Ventil V2 Wasser aus dem oberen Teil des Speichers zugemischt. Auf diese Weise kann also auch die vom Pelletofen in den Speicher eingespeiste Wärme zur Gebäudeheizung genutzt werden.

Simulationsergebnisse: Zeitlicher Verlauf von Temperaturen und Leistungen
Die Bilder zeigen Ausschnitte aus einer Jahressimulation mit dem Programm TRNSYS. Die zeitlichen Verläufe einiger Systemtemperaturen und der Leistungen der Wärmeerzeuger sind in Halbstundenschritten für jeweils zwei Tage im Winter, in der Übergangszeit und im Sommer dargestellt. Im Einzelnen sind folgende Parameter angegeben:

•    TA: Außentemperatur
•    TL_ZoneA: Raumlufttemperatur in der Zone A der untersuchten Wohnung. Bei der Simulationsrechnung wurde die Wohnung in drei thermische Zonen eingeteilt, Zone A beinhaltet das Wohnzimmer mit Pelletofen.
•    TSP_1, TSP_4: Temperaturen in der ersten (d. h. der obersten) und der vierten von insgesamt sechs im Simulationsmodell berücksichtigten Speicherschichten.
TSP_1 ist also die Temperatur ganz oben
im Speicher und entspricht damit
TSP_WW in den vorangegangenen Abbildungen; TSP_4 ist die Temperatur im oberen Bereich des mittleren Speicherab­schnitts (in den vorherigen Bilder:
TSP_Hz).
•    QWP, QOfen, QSolar: momentane Wärmeproduktion von Abluftwärmepumpe, Ofen bzw. Solaranlage.

Die angezeigten Halbstundenintervalle entsprechen einerseits dem bei der Simulation gewählten Zeitschritt. Andererseits erscheint der Ansatz, einzelne Systemparameter in längeren Zeitabschnitten festzulegen, durchaus auch als Regelungsprinzip im realen Fall anwendbar: Der Vorteil besteht in einer hohen Stabilität des Systems, d. h. ein sehr häufiges Takten (Ein- und Ausschalten) einzelner Komponenten wird verhindert.

Bild 5: Kalte Wintertage: Verlauf von Temperaturen und Leistungen der Wärmeerzeuger.

Bild 5 zeigt die Kurvenverläufe für zwei sehr kalte Wintertage im Januar. Die Außentemperatur liegt zumeist im Bereich zwischen -5 und -10 °C. Am Verlauf der Raumtemperatur in Zone A sind die Nachtabsenkung auf 17 °C sowie das – durch die Regeleinstellung vorgesehene – allmähliche Wiederaufheizen am frühen Morgen erkennbar. Trotz des gestreckten morgendlichen Aufheizvorgangs ist an dessen Ende ein deutlicher Einbruch in der Temperatur der obersten Speicherschicht zu verzeichnen. Die zweite Abbildung zeigt, dass anschließend sofort der Ofen anspringt. Dessen Leistung wird halbstündlich abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der Zieltemperatur im obersten Speicherabschnitt verändert. Aufgrund der Unterschreitung der Zieltemperatur arbeitet er zunächst mit hoher Leistung bis nahe 9 kW, anschließend – entsprechend der wieder angestiegenen Temperatur im obersten Speichersegment – mit geringerer Leistung zwischen 6 und 7 kW. Der Ofen wird am ersten Tag achtmal gestartet. Er erreicht Laufzeiten von zunächst eineinhalb, später von einer Stunde. Die Gesamtlaufzeit beträgt an diesem Tag neun Stunden. Es handelt sich hier um den Tag des Jahres, der während des Simulationslaufs gleichzeitig die meisten Anschaltvorgänge und die höchste Laufzeit des Ofens aufweist.
Die Abluftwärmepumpe läuft bis auf wenige nächtliche Stunden im Dauerbetrieb. Zu Beginn der Nachtabschaltung wird der mittlere Speicherabschnitt auf den Maximalwert (ca. 60 °C) aufgeladen. Die Wärmepumpe schaltet daraufhin ab und schafft es in den folgenden Stunden durch gelegentliches Takten, das Temperaturniveau zu halten. Während des Tages sinkt die Temperatur aufgrund des erhöhten Heizwärmebedarfs auf Werte von ca. 40 °C ab, d. h. deutlich unter den Wert der Vorlauf-Solltemperatur der Heizung, die an diesen kalten Tagen bei ca. 50 – 55 °C liegt. Die Wärmepumpe ist daher ständig in Betrieb, gleichzeitig wird zur Erreichung der Vorlauf-Solltemperatur immer auch das oberste Segment mit entladen.
Die Solaranlage ist an diesen beiden Wintertagen nicht in der Lage, zur Speicherladung beizutragen.

Bild 6: Übergangszeit: Verlauf von Temperaturen und Leistungen der Wärmeerzeuger.

Bild 6 zeigt eine Zweitagesperiode in der Übergangszeit (Anfang April). Die Außentemperatur erreicht Maximalwerte über 10 °C, sinkt allerdings nachts auf ca. 0 °C ab und steigt am zweiten Tag nur noch auf ca. 5 °C. Der erste Tag beginnt mit hohen Speichertemperaturen, der Wärmespeicher war in den vergangenen Tagen von der Solaranlage aufgeladen worden. Am Morgen wird kurz die Wärmepumpe zugeschaltet, anschließend werden auch hier hohe solare Beiträge erreicht, der Speicher wird von unten her auf über 80 °C aufgeheizt. Am zweiten Tag ist die Sonneneinstrahlung geringer, die Abluftwärmepumpe trägt hier die Hauptlast der Wärmeerzeugung, nach dauerhaftem Absinken der obersten Speichertemperatur wird kurzzeitig – in einem einzigen halbstündigen Zeitschritt – auch der Ofen zur Unterstützung aktiviert.

Bild 7: Sommer: Verlauf von Temperaturen und Leistungen der Wärme­erzeuger.

Bild 7 zeigt zwei warme Sommertage mit Außentemperaturen bis etwa 25 °C. Die vorangehende Periode war solarstrahlungsarm, der Speicher ist daher oben nur bis zum minimalen Zielwert von 60 °C aufgeladen und die Wärmepumpe muss am Morgen des ersten Tages zunächst noch für die Warmwasserbereitung zugeschaltet werden. Im Laufe des Tages und am nächsten Tag ist das Solarsystem dagegen in der Lage, den Warmwasserbedarf allein zu decken, Heizwärme wird nicht benötigt. Gegen Ende der Periode wird der Speicher auf den Maximalwert von 90 °C aufgeladen, sodass hier noch Puffer für weniger sonnige Tage zur Verfügung steht.

Einhaltung der Nachhaltigkeitsziele
Die Kombination von drei unterschiedlichen Anlagentypen erfordert einen höheren Aufwand, insbesondere auch höhere Investitionskosten als übliche Wärmeversorgungssysteme. Der Grund dafür, dass diese Konfiguration dennoch als eine sinnvolle Erweiterung des bestehenden Anlagenspektrums angesehen wird, liegt nicht zuletzt in ihrem Potenzial, gleichzeitig zwei Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Neben der Einhaltung der Klimaschutzziele ist nämlich auch der sparsame Umgang mit der knappen Ressource Biomasse, hier also Holzpellets, von entscheidender Bedeutung. Einerseits ist Bio­masse aus nachhaltigem Anbau als regenerativer Energieträger zu behandeln, der nur in seinen Vorketten (Gewinnung, Aufbereitung, Transport) zu CO2-Emissionen und Primärenergieverbrauch führt. Auch eine reine Holzheizung in einem schlecht gedämmten Gebäude erreicht daher vor dem Hintergrund der Klimaschutzziele zunächst einmal sehr gute Kennwerte. Dabei handelt es sich aber nicht um eine verallgemeinerbare Lösung, denn zugleich tritt ein anderes Problem auf: Biomasse steht nur in begrenztem Umfang zur Verfügung. Zwar besteht über das zukünftige Aufkommen und die zukünftige Verwendung von Biomasse noch weitgehend Unklarheit. Sicher ist aber, dass das heimische Potenzial (auch unter Berücksichtigung von Energiepflanzenanbau) gemessen am gesamten Energieverbrauch relativ gering ist. Um diese Problematik quantifizierbar und damit handhabbar zu machen, werden im vorliegenden Projekt Orientierungswerte für die beiden genannten Nachhaltigkeitsziele zugrunde gelegt:
1.    Für das Erreichen des Klimaschutzziels, also der ca. 80-prozentigen CO2-Einsparung im Gebäudesektor, ist es notwendig, dass der Primärenergieverbrauch für die Heizung und Warmwasserbereitung einen Zielwert von etwa 50 kWh pro m² Wohnfläche 1) und Jahr einhält.
2.    Um einen sparsamen Umgang mit der knappen Ressource Biomasse zu erreichen, wird die Einhaltung eines Zielwerts von 35 kWh/(m² a) für den End­energieverbrauch (Heizwert der Holzpellets) angesetzt 2).
Die Jahresergebnisse der Simulationsrechnungen zeigen anhand der untersuchten Beispielfälle, dass diese Zielwerte mit der dezentralen Variante des Kombisystems erreicht werden können, wenn gleichzeitig ein für Niedrigenergiehäuser typischer Heizwärmeverbrauch von 55 kWh/(m² a) und ein Warmwasser-Nutzwärmeverbrauch von 15  kWh/(m² a) zugrunde gelegt werden: Der Primärenergieverbrauch beträgt in diesem Fall etwa 44 kWh/(m² a), der Holzpelletverbrauch 33 kWh/(m² a). Im Fall der zentralen Variante – mit Pelletkessel und Wärmespeicher im unbeheizten Keller – liegt der Wärmeverbrauch aufgrund zusätzlicher Verteilungsverluste höher. Der Primärenergieverbrauch beträgt im untersuchten Fall etwa 48 kWh/(m² a) und liegt damit noch unterhalb der vorgegebenen Grenze, beim Holzpelletverbrauch wird der gesetzte Zielwert mit 38 kWh/(m² a) leicht überschritten. Um ihn dennoch einzuhalten, müsste z. B. der Heizwärmeverbrauch des Gebäudes weiter gesenkt werden.

Perspektiven für die Kombisysteme
Insgesamt sehen die Autoren bei dem dezentralen System mit Pelletofen vor einer breiteren Markteinführung noch Entwicklungsbedarf. Dies betrifft insbesondere die Regelung und die weitere Systemintegration, Letzteres insbesondere mit dem Ziel einer Kostensenkung. Im Fall des zentralen Systems sind gezielte Weiterentwicklungen ebenfalls sinnvoll, aber auch Modellanwendungen, insbesondere im Bereich der Mehrfamilienhäuser, sind bereits jetzt möglich.

Der ausführliche Forschungsbericht ist auf der Homepage des IWU erhältlich unter www.iwu.de/fileadmin/user_upload/dateien/energie/neh_ph/Kombisysteme_Endfassung.pdf
Er behandelt auch weitere Themen, z. B. die Variation wichtiger Systemparameter, den Ersatz der Abluft-Wärmepumpe durch eine Erdreich-Wärmepumpe kleiner Leistung, einen Systemkostenvergleich und eine Betrachtung zur Emission von Luftschadstoffen. Ein eigenes Kapitel wird der mit besonderer Sorgfalt zu behandelnden Frage des gemeinsamen Betriebs von Abluftanlage und Holzpelletofen gewidmet. Im Fall der zentralen Variante wurde ein bereits bestehendes Projekt in einem Mehrfamilienhaus in Zirndorf dokumentiert, das einen ähnlichen Ansatz verfolgt.

Autoren: Nikolaus Diefenbach und Rolf Born, beide vom Institut Wohnen und Umwelt in Darmstadt. Norbert Stärz, Ingenieurbüro inPlan aus Pfungstadt.

Bilder: IWU, Darmstadt

1) Die Wohnfläche eines Gebäudes ist in der Regel kleiner als die Gebäudenutzfläche AN nach Energie­einsparvordnung (EnEV).

2) Diese Zahl orientiert sich an einer überschlägigen Potenzialabschätzung in: N. Diefenbach; Bewertung der Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen und Biomasse-Heizsystemen, Institut Wohnen und Umwelt, Darmstadt, 2002.

www.iwu.de
www.inplan-pfungstadt.de