Klimaneutralität im Gebäudesektor

Für die Erreichung nationaler und internationaler Klimaziele ist im Gebäudesektor eine deutlich höhere Sanierungsrate nötig. Zentral sind dabei die Dämmung der Gebäudehülle und der Austausch fossiler Wärmeerzeuger. In dicht besiedelten städtischen Gebieten mit Mehrfamilienhäusern stoßen konventionelle Wärmepumpen jedoch an Grenzen – etwa durch Platzmangel für Außenluftgeräte oder fehlende Möglichkeiten für Erdsonden. Eine wirtschaftliche Alternative bieten mit PVT Luft-Sole-Kollektoren betriebene Wärmepumpen [1]. Sanierungen sind für Wohnbaugesellschaften, Planer und Installateure oft aufwändig: jedes Mal neue Einzelfälle und durch Fachkräftemangel erschwert. Das BMWK-geförderte Projekt „dynOpt-San“ („Dynamisch optimierte Sanierungslösungen mit PVT-Wärmepumpensystemen“) verfolgt drei Ziele zur Überwindung dieser Herausforderungen:

Entwicklung standardisierter PVT‑WP‑Sanierungskonzepte (optional mit PCM-Speichern)

Entwicklung eines digitalen Sanierungsassistenten zur Unterstützung von Erstberatung bis Planung

Betriebsmanagement-System zur automatisierten Überwachung und Optimierung von Heizungen

Vier im Projekt entwickelte standardisierte Konzepte werden an rund 20 Demonstrationsobjekten erprobt. Projektpartner sind Consolar, Universität Paderborn, Fraunhofer IOSB, ESDA (PCM‑Speicher), Solares Bauen, assoziiert: Energiemanagement‑Anbieter Enisyst. Es wurden vier Konzepte definiert; jedes wird im Rahmen mindestens eines Demonstrationsprojekts erprobt.

Die Sanierungskonzepte im Überblick:

• Hybride Versorgung: PVT‑WP mit fossilem Spitzenlastkessel
• Monoenergetische Zentralversorgung: ausschließlich PVT‑WP
• Etagenheizungen: dezentrale WP in Wohnungen, zentrale PVT‑Quelle
• Kaltes Nahwärmenetz: PVT‑Quelle gekoppelt an WP‑Netz weitere Gebäude

Optional können in allen Konzepten PCM‑Speicher als Quellen‑ oder Pufferspeicher verwendet werden; konkrete Projekte stehen noch aus.

Die Konzepte im Detail:

A. Hybride Anlage mit PVT-Wärmepumpe und ­Spitzenlastkessel

Das in Bild 1 gezeigte Konzept ergänzt ein bestehendes fossiles Heizsystem um eine Wärmepumpe mit PVT Luft-Sole-Kollektoren. Die Wärmepumpe deckt 35-50 % der Heizlast und liefert dabei über 65 % der Heizenergie. Dank reduzierter Anlagengröße bleiben die Investitionskosten moderat, was die Wirtschaftlichkeit verbessert.

Seit Mitte 2024 wird die Sanierung eines 1961 erbauten (2016 teilsanierten) Mehrfamilienhauses (Bild 2) mit 1000 m² Wohnfläche (16 WE) entsprechend dieses Konzeptes geplant. Bisher erfolgt die Versorgung über einen 65 kW-Gaskessel. Der Heizbedarf beträgt 97.600 kWh, der Warmwasserbedarf 42.550 kWh jährlich. Die Warmwasserbereitung erfolgt zentral (500 l Speicher, Zirkulation), ein Pufferspeicher ist nicht vorhanden.

Geplante Komponenten:

51 m² PVT Luft-Sole-Kollektoren (21 SOLINK à 2,4 m²), Südausrichtung, 30° Dachneigung

Sole-Wasser-Wärmepumpe (17,6 kW bei B0/W35)

Gaskessel (69,9 kW bei 40/30°C bzw. 64,5 kW bei 80/60 °C)

283 l Heizungs-Pufferspeicher

922 l Warmwasserspeicher

Mit weiterentwickeltem SunOptimo‑Tool erfolgten Dachbelegung, Statikplanung und Simulation (Polysun). Die Simulationsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Aktuell wird das Projekt mit wenigen Veränderungen umgesetzt.

B. Monoenergetische Versorgung mit zentralem ­PVT-Wärmepumpensystem

Das zweite Konzept (Bild 3) sieht eine Wärmepumpenversorgung mit PVT Luft-Sole-Kollektoren ohne fossile Wärmeerzeuger oder alternative Wärmequellen vor. Einige kommunale Wohnbaugesellschaften streben aufgrund begrenzter Ressourcen und ambitionierter Klimaziele (Klimaneutralität bis 2040 in Baden-Württemberg bzw. 2045 bundesweit) eine einmalige Sanierung an. Statt einer schrittweisen Umstellung soll direkt auf eine klimaneutrale Lösung wie Nah-/Fernwärme oder Wärmepumpe umgerüstet werden. Dabei werden nur ohnehin anstehende Maßnahmen an der Gebäudehülle (z. B. Dachsanierung, Fassadendämmung) umgesetzt sowie technische Anpassungen für den effizienten Wärmepumpenbetrieb vorgenommen: z. B. Austausch einzelner Heizkörper, hydraulischer Abgleich zur Absenkung der Vorlauftemperatur auf max. 55 °C.

2020 wurde ein Mehrfamilienhaus in Südbaden energetisch kernsaniert (Bild 4). Durch Kombination der umfassenden Dämmung mit einem SOLINK-Wärmepumpensystem konnte der Effizienzhaus-40-Standard kosteneffizient erreicht werden. Seit Dezember 2020 versorgt eine 17-kW-Wärmepumpe mit 28 SOLINK Wärmepumpenkollektoren sechs Wohnungen (560 m²) mit Wärme und Strom. Eine zentrale Frischwasserstation übernimmt in Kombination mit einem 1.000 l-Speicher die Warmwasserversorgung des Gebäudes. Der Heizkreislauf verfügt über einen 800 l-Pufferspeicher. Fußbodenheizungen ermöglichen auch eine Kühlung.

Im Projekt IntegraTE (2022) wurden für die realen Anlagen- mit den Simulationsdaten verglichen (Bild 5): Die Jahresarbeitszahl (JAZ) lag bei 3,7 (Monitoring) bzw. 3,8 (Simulation) – ein sehr gutes Ergebnis angesichts des hohen Warmwasseranteils von 54 %. Wegen fehlender Monitoringdaten zum PV-Ertrag, wurde dieser der Simulation entnommen, so dass die JAZ-PVT mit Berücksichtigung des PV-Stroms, der direkt in die Wärmepumpe eingespeist wird, mit etwa 4,6 – 4,8 angenommen werden kann.

C. Etagenheizungen mit dezentralen Wärmepumpen und PVT-Luft/Sole-Kollektoren

In Gebäuden mit Etagenheizungen ist der Umbau auf ein zentrales Heizsystem oft schwierig. Eine Alternative sind kleine Sole-Wärmepumpen in jeder Wohnung, die anstelle der Gasthermen installiert werden. Dieses Konzept eignet sich ideal bei ­aufwendiger zentraler Umstellung. Jede Wohnung bekommt eine kleine Sole‑Wärmepumpe. Das PVT-Kollektorfeld befindet sich zentral auf dem Dach oder der Fassade, die Verlegung der Soleleitung erfolgt über ungenutzte Kaminschächte oder Fassaden (Bild 6).

Seit Mitte 2024 wird die Sanierung eines 1907 erbauten Gebäudes in Frankfurt (6 Wohnungen, 770 m² Wohnfläche) geplant. Der gesamte Jahreswärmebedarf für Heizung und Warmwasser liegt bei 92.200 kWh. Aktuell erfolgt die Versorgung über Wohnungsgasthermen. Ein individueller Sanierungsfahrplan sieht neben dem Austausch der Gasthermen die Dach- und Kellerdeckendämmung und die Montage von PVT Luft-Sole-Kollektoren vor.

Da die vorhandene Dachfläche nicht für die benötigte Kollektorfläche ausreicht, um den aktuellen Verbrauch abzudecken, wird eine ergänzende Fassadenmontage geprüft (Bild 7). Die vollständige Fassadendämmung ist nicht vorgesehen, ggf. jedoch punktuell hinter den Kollektoren. Die Soleleitungen sollen ungedämmt an der Fassade verlaufen.

D. Kaltes Nahwärmenetz mit dezentralen Wärmepumpen und netzgekoppelten PVT-Luft/Sole-Kollektoren

Wird im Zuge der Sanierung ein Nahwärmenetz geplant, bietet sich ein kaltes Netz an, das durch PVT Luft-Sole-Kollektoren dezentral, zentral oder kombiniert gespeist wird. Gebäude mit eigenen Kollektoren versorgen ihre Wärmepumpe vorrangig direkt; Überschüsse oder Unterdeckungen werden über das Netz ausgeglichen.

Im vierten Konzeptbeispiel wurde das neue Rathaus in Offenbach a. d. Queich im Jahr 2020 mit 200 m² PVT Luft-Sole-Kollektoren und einer 51 kW Sole/Wasser-Wärmepumpe errichtet – mit dem Ziel, es in ein später realisiertes kaltes Nahwärmenetz einzubinden. Dieses versorgt inzwischen mehrere kommunale Gebäude (Feuerwehr, Kita, Freibad, Sporthalle, Vereinsheim etc.) sowie künftig ein Wohngebiet mit Doppel- und Mehrfamilienhäusern. Als Quellen dienen neben der PVT-Anlage auf dem Rathaus drei Grundwasserbrunnen. Weitere Ausbaustufen sehen Erdwärmesonden vor.

Anders als im vorherigen Beispiel, werden hier alle Gebäude als reine Abnehmer an das Netz angeschlossen, ohne eigene PVT-Anlage auf dem Dach. Zunächst wurde untersucht, ob die Wärmepumpe vom Versorger gestellt werden kann; wegen des hohen Bedarfs an individueller Abstimmung (unterschiedliche Verbräuche wegen Anbauten oder unterschiedlicher Sanierungsgrade) wäre das aber zu aufwendig. Die Besitzer, die Ihr Haus anschließen, bauen jeweils selbst eine Wärmepumpe ein. Eine weitere Straße mit interessierten Eigentümern liegt in direkter Nachbarschaft zum Rathaus. Ausbaupläne bestehen hier derzeit noch nicht.

Ausblick: Digitaler ­Sanierungsassistent und ­Betriebsmanagement

Im nächsten Schritt sollen alle Sanierungskonzepte hinsichtlich Energieverbrauch und -kosten, CO2-Ausstoß sowie Sanierungskosten digital abgebildet werden. Ein digitaler Sanierungsassistent simuliert für gegebene Gebäude passende Konzepte – inklusive herkömmlicher Systeme wie Luft-Wärmepumpen oder Fernwärme – und schlägt das effizienteste vor. Das gewählte Konzept wird mit hinterlegten Daten konkretisiert, etwa zur Belegungsplanung der Kollektoren, hydraulischer Auslegung oder Berechnung der Wirtschaftlichkeit. Zur Umsetzung auf Steuerungs- und Regelungsebene wird mit enisyst ein „lokaler Betriebsmanager“ entwickelt. Dieser setzt die optimierten, ggf. auf das ganze Quartier bezogene Betriebsstrategien des Cloud-basierten „dynOpt-San“-Energiemanagers um, ist herstellerunabhängig und kommuniziert per Modbus mit verschiedenen Wärmeerzeugern. Die standardisierte Benutzer­oberfläche erleichtert die Bedienung, z. B. für Hausverwaltungen. Die standardisierten Abweichungen zwischen Simulation und realem Betrieb werden automatisch erkannt.

Fazit

Die im Projekt „dynOpt-San“ entwickelten Module sind so konzipiert, dass sie auf andere Gebäude übertragbar sind. Der modulare Aufbau der Anlagentechnik erlaubt Skalierungen je nach Gebäudestruktur, während der Sanierungsassistent an unterschiedliche Gebäudecluster angepasst werden kann. Der Sanierungsassistent bietet einen skalierbaren, digital unterstützten Ansatz zur Dekarbonisierung des MFH-Bestands. Durch die Kombination aus standardisierter Technik, digitalem Planungstool und Betriebsmanagement wird ein Sanierungsprozess etabliert, der ökonomisch tragfähig, technisch ausgereift und ökologisch wirksam ist. 

Die Autoren danken dem BMWK, dem Projektträger Jülich, der bauverein AG der Stadt Darmstadt sowie Dominik Hoffmann und der Energie Südwest.