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[ Wärmepumpen ]

Die Bilanz muss stimmen

Der Einsatz von Wärmepumpen erfordert ganzheitliche Planungskonzepte. Nur dann arbeiten die Anlagen effektiv.

Marion Goldmann

Trotz gestiegener Energiepreise und hochgesteckter Umweltziele muss das Kosten-Nutzen-Verhältnis regenerativer Anlagentechnik stets geprüft werden. Auch elektrisch betriebene Kompressions-Wärmepumpen rechnen sich nicht in jedem Fall. Grundlage für die Beurteilung der Anlageneffizienz ist der Primärenergieaufwand für den Strom, den Wärmepumpen als Antriebsenergie benötigen.

Dafür werden drei Kilowattsunden angesetzt – soviel, wie ein Kraftwerk braucht, um eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen. Diese drei Kilowattstunden muss die Wärmepumpe in Form von Wärme an das Gebäude wieder abgeben, damit die Primärenergie­bilanz stimmt. Gemessen wird die Effizienz mit der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe. Sie gibt das Verhältnis zwischen der abgegeben Wärmemenge für Raumheizung und Warmwasserbereitung und der dafür benötigten elektrischen Antriebsenergie in Kilowattstunden an. Wärmepumpen müssen demnach eine Jahresarbeitszahl von drei erreichen, dann arbeiten sie im wirtschaftlichen Bereich. Deshalb gilt es zu ermitteln, ob und wie dieses Ergebnis erreichbar ist.

Sich allein auf die Aussagen von Herstellern und Stromkonzernen zu verlassen, reicht nicht. Ihren Angaben zufolge haben Wärmepumpen niedrige Verbrauchs- und Betriebskosten, und die Investition hat sich schnell amortisiert. Gerade für Stromanbieter ist die langjährige Kundenbindung ein zukunftsträchtiges Geschäft. Die Marktentwicklung hat die Aufnahme der Wärmepumpe in verschiedene Förderprogramme begünstigt. Angesprochen werden in erster Linie private Endverbraucher. Aber welche Bauherren können sich die hohen Anfangsinvestitionen in regenerative Energietechnik überhaupt leisten? Bei Wärmepumpen, die Wärme dem Erdreich (Sole/Wasser-Wärmepumpen) oder dem Grundwasser (Wasser/Wasser-Wärmepumpen) entziehen, muss neben den Kosten für die Wärmepumpe zusätzlich die Erschließung und Nutzbarmachung des Geothermiefeldes berücksichtigt werden.

Erfahrungen mit kleinen Bauvorhaben

Der Kölner Architekt Stefan Schramm: „Bei meinem Klientel ist das Budget zum Glück nicht ganz so knapp.“ Er hat die Wärmepumpen bereits während des Studiums kennengelernt, 1994 bei einer Erweiterung eines Einfamilienhauses die erste eingebaut und seitdem fast vierzig Objekte realisiert. Bis auf zwei oder drei verfügen die Ein- bis Vierfamilienhäuser alle über diese Technik. Bei diesen „Aus­reißern“ stimmten die Rahmenbedingungen nicht. Schramm setzt Wärmepumpen nur dann ein, wenn am ­Ende die Rechnung aufgeht.

Auch kleine Gärten eignen sich als ­Wärmequelle für Wärmepumpen. Für die Bohrungen ist lediglich ein Mindestmaß von drei Metern zum Nachbargrundstück gesetzlich vorgeschrieben.

Zum Beispiel arbeiten Luft/Wasser-Wärmepumpen ­bekanntlich nur bis etwa null Grad effektiv. Um das Nachheizen mit Strom zu vermeiden, sei es wichtig, die Wärmepumpe mit weiterer Anlagentechnik zu unterstützen. Und so hat er schon die unterschiedlichsten Varianten realisiert. Zum Beispiel wurde bei seinem Dachgeschoss eine Luft/Luft-Wärmepume mit Wärmerückgewinnung kombiniert und zur Deckung der Bedarfsspitzen ein ­Pelletofen gewählt. Lediglich 400 Euro Heizkosten fallen im Jahr an. Bei der Sanierung eines Mehr­familienhauses in Köln fiel die Entscheidung zugunsten zweier in Kaskade geschalteter Wasser/Wasser-Wärmepumpen, die Grundwasser nutzen. Zur Brauchwassererwärmung bietet sich häufig eine Er­gänzung der Wärmepumpe um eine Solaranlage an. Der sorgsame Abgleich verschiedener Möglichkeiten ist ein entscheidendes Kriterium für den erfolgreichen Einsatz regenerativer Systeme  – gerade auch bei kleineren Projekten, wo Architekten in der Regel ohne Fachplaner ­auskommen müssen.

Als Bemessungsgrundlage zur Festlegung des Leistungsbereiches der Wärmepumpe – zum Beispiel 6 bis 12 kW oder 12 bis 24 kW  – dient Schramm die Wärmebedarfs­ermittlung, die der Statiker im Rahmen des Wärmeschutznachweises ohnehin erstellt. Der Spielraum im jeweiligen Leistungs­bereich reicht aus, um die Anlagentechnik passend zu gestalten. Denn anders als die Planer großer Objekte verfügt Schramm mit seinen fünf Mitarbeitern nicht über die Möglichkeiten für simu­lierte Variantenvergleiche am Rechner.

Einsatz bei großen Projekten

Andreas Niewienda von der Stuttgarter Ingenieurgesellschaft DS-Plan: „Spezialisten wie wir werden in der Regel erst bei Gebäuden ab einer Nutzfläche von 5000 Quadratmetern hinzugezogen.“ Die Planer und Berater für ganzheitliche Energiekonzepte arbeiten von Anfang an mit dem Architekturbüro zusammen und haben bislang etwa zehn Projekte mit Erdwärmenutzung betreut. Eines der ersten war das eigene, 2002 fertiggestellte Bürogebäude in Stuttgart. Im Unterschied zu kleinen Bauvorhaben waren vor rund acht Jahren große Projekte mit geothermischen Anlagen Neuland. Das hohe Interesse an diesem Thema ermöglichte im Rahmen eines Forschungs­vorhabens Antworten auf eine Reihe damals offener Fragen. Zum Beispiel: Erreichen wir auch in der Praxis die in der Planung prognostizierten Erfolge? Bleiben die Temperaturen des Geothermiefeldes konstant? Wie betreibt man eine thermische Betonkernaktivierung optimal?

Anlagenschema mit Geothermie, Wärmepumpe und freier Kühlung. In Heizfall wird die Sole von der Geothermie von der Wärmepumpe auf ein Temperaturniveau von 35 Grad befördert. Im Kühlfall wird die Sole direkt über den Wärmetauscher geleitet und dient der freien Kühlung des Gebäudes.

Nach zwei Jahren messtechnischer Begleitung, Datenauswertung und Betriebsoptimierung konnten die ursprünglich simulierten Werte im Wesentlichen bestätigt werden. Die Wärmepumpe arbeitet mit einer Jahresarbeitszahl von vier und gibt damit mehr Wärme an das Gebäude ab, als zur Erzeugung des Antriebsstroms erforderlich ist. Niewienda: „Die Wirtschaftlichkeit ist dadurch gegeben, dass das Geothermiefeld auch zur Kühlung im Sommer mitherangezogen wird.“ Weil das Wasser in den Leitungen einfach nur zirkuliert, ist der ener­getische Aufwand dafür nur sehr gering. Überhaupt hält der Fachmann den wirtschaftlichen Betrieb einer Wärmepumpe bei klimatisierten Objekten nur für möglich, wenn Heizung und Kühlung kombiniert werden.

Denn beim Vergleich der klassischen Anlagentechnik für Kälteerzeugung und Heizung mit einer Geothermieanlage kommt am Ende der Rechnung plus/minus null heraus. So ist eine Wärmepumpe in der Anschaffung teurer als eine Gas-Brennwerttherme. Die Differenz müssen niedrigere Heizkosten wieder einspielen.

Integrale Planung

Dabei beschränken sich die Variantenvergleiche nicht allein auf die Anlagentechnik. Niewienda: „Das Gebäude muss gewisse Standards einhalten, was auch heute noch nicht immer selbstverständlich ist.“ Diese baulichen Voraussetzungen seien vom Architekten zu schaffen. Dazu gehören guter Wärmeschutz der Gebäudehülle, effiziente ­Wärmeübertragung in den Raum und das Zusammenspiel zwischen der Anlagentechnik, dem Gebäude sowie der Nutzung. All das sollte der Architekt überschauen ­können und Lösungen bereitstellen, die mit den geo­thermischen Voraussetzungen und der Wärmepumpe harmonieren.

Zum Beispiel Flächenheizsysteme, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeiten. Die Flächen dafür rechtzeitig einzuplanen, ist beim Neubau kein Problem. Anders bei Altbauten, die meist noch über Heizungen verfügen, die mit Vorlauftemperaturen von etwa 60 Grad betrieben werden. Schramm: „Grundsätzlich erbringen Wärmepumpen diese Leistung auch. Wirtschaftlich sind sie dann aber nicht.“ Dieser Meinung ist auch DS-Plan-Experte Niewienda. Er gibt zu bedenken, dass Altbauten bei der Sanierung üblicherweise keine Kühltechnik erhalten, was die Effi­zienz der Wärmepumpe infrage stelle. Wird dagegen der Dämmstandard erheblich erhöht und auf Flächenheizung umgestellt, könnten Wärmepumpen auch im Gebäudebestand sinnvoll sein.

Für den reibungslosen Ablauf des Bauvorhabens sind rechtzeitig Fachplaner mit einzubeziehen, die eine Geothermieanlage auch planen können. Nicht zu vergessen die Ausschreibung, worin die Schnittstellen der Gewerke genau zu definieren sind. Das ist wichtig, um etwa bei den Bohrungen für die Erdsonden eine Kollision mit dem Baugrubenaushub zu vermeiden. Und die koordinierenden Aufgaben umfassent auch die Einbindung der Geothermieanlage in die Haustechnik. Für diese komplexen Aufgaben gehöre zwar etwas Erfahrung dazu. Aber auch ein kleines Architekturbüro könne dies leisten, meint Niewienda.

Potenziale zur Optimierung

Aufmerksamkeit erfordert derzeit noch die Lösung der Schnittstellen bei Wärmepumpen in bi- und multivalentem Betrieb. Nach den Erfahrungen von DS-Plan ist das derzeit noch schwierig – sowohl bei der Planung als auch in der Zusammenarbeit mit den ausführenden Firmen. Speziell die Anbindung von Wärmepumpen an unterstützende Systeme ist problematisch. Besonders dann, wenn mehrere Anlagen wie Brennwertkessel, Kältemaschine oder Solaranlagen kombiniert werden sollen.

Die Einregulierungsphase nach Inbetriebnahme geothermischer Anlagen verläuft derzeit ebenfalls noch nicht immer reibungslos. „Im Gegensatz zu herkömmlicher Anlagentechnik gibt es aber kaum fachkundiges Personal, das mit Geothermie, Betonkernaktivierung oder auch Randstreifenheizelementen umgehen kann“, beschreibt Nie­wienda die aktuelle Situation. Bei kleinen Bauten ist die Einregulierung dagegen individuell zu leisten. Schramm: „Hier muss dem Nutzer deutlich gemacht werden, dass er sein Verhalten der Technik anpassen muss.“

  • Übersicht: Wärmepumpen – Hersteller und Produkte [pdf]