Effizienter als EnEV-Referenzgebäude

Vorstellung der Alternati­ven

2. Austausch Brennwertkessel mit Solarthermie gegen Wärmepumpe

Bei beiden Wärmerzeugern gibt es eine Abhängigkeit der Effizienz von den Systemtemperaturen (Bild 4).

Durch die Absenkung von 55/45 °C Systemtemperatur auf 40/33 °C Systemtemperatur bei der Brennwerttechnik wird eine Verbesserung des Wirkungsgrades von 99 % auf 104 % (33/28 °C: 105,5 %) erreicht. Bei der Wärmepumpe steigt der Coefficient of performance (COP)-Wert von 3 auf 4 (33/28 °C: 4,5), wenn von einer Soleanlage mit einer Eintrittstemperatur von 0 °C ausgegangen wird.

Entscheidend für die Effizienzsteigerung ist die Abstimmung der Wärmepumpe auf die Fußbodenheizung in Bezug auf den Oberbodenbelag, den hydraulischen Abgleich und den Verlegeabstand. Nur so kann die Systemtemperatur auch im realen Betrieb eingehalten werden.

Der COP ist ein Laborwert, der unter definierten Rahmenbedingungen ohne Berücksichtigung der Leistung der elektrischen Hilfsaggregate, die nicht unmittelbar zum Wärmepumpen-Prozess gehören, ermittelt wird. Er erlaubt deshalb keine energetische Bewertung der Gesamtanlage. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist der Quotient aus dem Ergebnis der Messung des Wärmemengenzählers (abgegebene thermische Arbeit der Wärmepumpe) über ein Jahr und der Messung am Stromzähler für die zugeführte elektrische Arbeit. Dort sind Verdichter und Hilfsantriebe berücksichtigt. Die JAZ ist also die tatsächliche Leistungszahl im Betrieb. Nach Felduntersuchungen des Fraunhofer-Institutes für Solare Ener­gie­systemsysteme ISE liegt die durchschnittliche JAZ bei Sole/Wasser-Wärmepumpen bei 3,86, bei Luft/Wasser-Wärmepumpen bei 2,89.

Dabei ist eine bisher in diesem Beitrag nicht berücksichtigte Gesetzesvorgabe bei der Umstellung des Referenzgebäudes auf das Mustergebäude zu berücksichtigen: das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) in seiner Ausgabe von 2011. In der Ausführung des Referenzgebäudes werden durch die verwendete solarthermische Anlage die Anforderungen nach dem Einsatz regenerativer Energien erfüllt. Im Mustergebäude müssen die Anforderungen durch die entsprechende Qualität der gesamten Anlage aus Wärmequelle, Wärmepumpe und Wärmesenke erfüllt werden.

Dazu wird im EEWärmeG gefordert: „Die Jahresarbeitszahl beträgt bei Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen 3,5 und allen anderen Wärmepumpen 4,0. Wenn die Warmwasserbereitung des Gebäudes durch die Wärmepumpe oder zu einem wesentlichen Anteil durch andere erneuerbare Energien erfolgt, beträgt die Jahresarbeitszahl abweichend von Satz 1 bei Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen 3,3 und allen anderen Wärmepumpen 3,8.“ Außerdem muss „die Wärmepumpe mit dem gemeinschaftlichen Umweltzeichen „Euroblume“, dem Umweltzeichen „Blauer Engel“ oder dem Prüfzeichen „European Quality Label for Heat Pumps“ (Version 1.3) ausgezeichnet“ sein.

Bei einem Vergleich der Forderungen des EEWärmeG mit den Messungen des Fraunhofer-Institutes für Solare Energiesystemsysteme ISE  wird deutlich, dass viele Anlagen die Forderungen in der Praxis nicht erfüllen, da die gesamte Anlage nicht abgestimmt ist.

In Tabelle 2 ist dargestellt, wie gravierend sich Veränderungen im Betrieb gegenüber der Planung bei einer angenommenen JAZ von 4,2 auf die Effizienz der Wärmepumpe auswirken:

Bei den Punkten 2 und 3 wird deutlich, dass die Wärmepumpe an die Normheizlast des Gebäudes angepasst werden muss. Dies ist notwendig, um die die Verschlechterung der JAZ zu vermeiden und die Wirtschaftlichkeit der Investition zu gewährleisten.

Bild 5 stellt die Abweichung der Investitionskosten für Luft/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen in Abhängigkeit der Änderung von der Normheizlast dar.

Die Entscheidung, welche Wärmepumpe im Mustergebäude eingesetzt wird, ist unter anderem abhängig von

Aufgrund des Standortes sind beim Mustergebäude eine Was­ser/Wasser-Wärmepumpe (Verfügbarkeit) und eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Horizontalkollektoren (Flächenbedarf) nicht möglich.

Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Sondenbohrungen liefert eine bessere JAZ als eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, hat aber auch deutlich höhere Investitionskosten. Sie wird dann besonders interessant, wenn das Gebäude nicht nur beheizt, sondern auch (passiv) über den Fußboden gekühlt werden soll. Da im Kühlfall nur die Heizungs- und die Soleumwälzpumpe in Betrieb sind, entstehen über eine Kühlperiode Betriebskosten von nur etwa 25 € bei einem Einfamilienhaus.

Da sich beim Mustergebäude für den Einsatz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe entschieden wurde, wird in diesem Beitrag nicht auf die Entzugsleistungen und die Genehmigungspraxis bei Solesystemen eingegangen. Eine Übersicht zu diesem Thema liefert die neue Technische Information zu den Geothermiesystemen von Uponor.

Aufgrund der benötigten Luftmengen für ein Mehrfamilienhaus wird eine Luft/Wasser-Wärmepumpe in aller Regel außen aufgestellt. Das Hauptkriterium für den Aufstellungsort ist der Schallschutz. Dabei liefert beispielsweise die Schall-App von Stiebel Eltron eine schnelle Hilfe, ob die Grenzwerte der TA Lärm eingehalten werden.

Die Software ermittelt den Schalldruckpegel abhängig von Aufstellart und Aufstellumgebung. So lässt sich schon vor der Aufstellung berechnen, ob die ausgewählten Randbedingungen den Grenzwerten entsprechen. Nach Angabe des geplanten Wärmepumpentyps sowie wichtiger Parameter wie zum Beispiel Aufstellart, Ort und Umgebung ermittelt die Schall-App den zu erwartenden Schallleistungspegel der Wärmepumpe sowie den nötigen Mindestabstand zum Nachbargebäude. Da die Schall-App mit Sicherheitszuschlägen kalkuliert, liegen die tatsächlichen Werte später zum Vorteil des Kunden niedriger.

Nur wenn die zulässigen Grenzwerte beim Außenlärm konsequent eingehalten werden, lassen sich Probleme vermeiden. Zentrale Messgröße hierbei ist der Schalldruckpegel im offenen Fenster (Lüftungsfenster) am betroffenen Gebäude. Bei Mehrfamilienhäusern ist das nächstgelegene Lüftungsfenster des eigenen Gebäudes zu berücksichtigen.

Anforderungen TA Lärm:

Die Anfoderungen der TA Lärm sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Die Wärmepumpe wird monoenergetisch mit einem Bivalenzpunkt von -5 °C betrieben. In den folgenden Grafiken wird der Vorteil der gewählten Anlagenkonfiguration mit der Wärmepumpe gegenüber den Betriebskosten des Referenzgebäudes deutlich. Als Vergleich sind auch die Varianten mit anderen Wärmequellen für die Wärmepumpe dargestellt.

3. Austausch der zentralen Trinkwassererwärmung mit Zirkulationsleitung gegen eine dezentrale Trinkwassererwärmung mit Frischwasserstationen

Die Wärmepumpe deckt aber nicht nur den Heizwärmebedarf ab, sondern erwärmt auch das Trinkwarmwasser. Dadurch entsteht ein Zielkonflikt zwischen dem Wunsch nach hohen Leistungszahlen der Wärmepumpe bei niedrigen Systemtemperaturen und den hohen Temperaturen für die hygienischen Anforderungen im Trinkwassersystem. Das Thema Hygiene ist vor allem im vergangenen Jahr durch die Novellierung der Trinkwasserverordnung nicht nur in den Fokus der Fachwelt, sondern auch der Betreiber und der Öffentlichkeit geraten.

Alle Anlagen mit Trinkwasser­erwärmern mit einem Inhalt ≥ 400 l und/oder einem Inhalt
≥ 3 l in jeder Rohrleitung zwischen dem Abgang der Trinkwassererwärmer und Entnahmestelle waren den Gesundheitsämtern sofort nach Inkrafttreten der Trinkwasserverordnung (TWVO) zu melden. Da dies aufgrund der Kapazitäten der Gesundheitsämter gar nicht bearbeitbar war und auch entsprechende Formulare mit Mindestangaben fehlten, konnte der Meldezeitpunkt in Absprache mit dem Gesundheitsamt verschoben werden. In einer zweiten Novellierung der TWVO, die am 12. Oktober 2012 in Kraft trat, ist die Anzeigepflicht für Großwasseranlagen bei den Gesundheitsämtern ersatzlos entfallen. Dies befreit nicht von der Pflicht auf die Beprobung des Trinkwassers.

Bei jeder Großanlage war laut Trinkwasserverordnung bis zum 31. Oktober 2012 eine Erstprobung auf die Wasserqualität insbesondere auf den neuen technischen Maßnahmewert für Legionellen von 100 KBE/100 ml durchzuführen und dann jährlich zu wiederholen. Da auch dies mit den akkreditierten Prüfinstituten nicht umsetzbar gewesen ist, ist bei der zweiten Novellierung der Zeitrahmen für die Erstbeprobung bis zum 31. Dezember 2013 verlängert worden. Folgeuntersuchungen werden dann drei Jahre notwendig.

Die neue Trinkwasserverordnung ist eine Herausforderung für den Betreiber der Anlage (Vermieter). Nicht nur wegen der Installation geeigneter Probenentnahmestellen, dem Zugang zur Wohnung und der Frage, ob die Kosten der Vermieter oder der Mieter trägt.

Bei einer Großanlage ist eine Zirkulationsleitung notwendig. Die Trinkwasserverordnung schreibt eine Wassertemperatur am Warmwasseraustritt des Trinkwassererwärmers von ≥ 60 °C vor. Zirkulationssysteme und selbstregelnde Begleitheizung sind zudem so zu betreiben, dass die Wassertemperatur im System um nicht mehr als 5 K gegenüber der Wasseraustrittstemperatur unterschritten wird.

Eine zentrale Trinkwassererwärmung bedeutet also einen hohen Aufwand für den Betreiber und ungünstig hohe Temperaturen für eine Wärmepumpe. Deshalb wurde im Mustergebäude eine dezentrale Wasserversorgung mit den Frischwasserstationen Regudis W-TU von Oventrop installiert. Jede Wohneinheit wird von einer Station versorgt. Die Wärmeübergabe aus der von der Wärmepumpe bereitgestellten Vorlauftemperatur erfolgt über einen Wärmetauscher. So wird jede Wohneinheit als Kleinanlage mit < 3 l Wasserinhalt zwischen Abgang Trinkwassererwärmer und entferntester Entnahmestelle bewertet. Dadurch ergeben sich diese Vorteile:

Berechnungsgrundlage für die Warmwasserbereitung in jeder Wohnung mit Wärmeübertrager ist eine Zapfleistung 15 l/min mit 45 °C bei einer Vorlauftemperatur von 55 °C.

In Kombination mit der Fußbodenheizung und der Wärmepumpe ergeben sich Einsparungen bei Primärenergie und Energiekosten gemäß Bild 7.

Ergebnis: Das Mustergebäude verbraucht 522 kWh pro Jahr weniger als das Referenzgebäude.

Ein Vergleich der Investitionen wird in Tabelle 4 durchgeführt.

Lüftung

Die Abluftanlage aus dem Referenzgebäude wird durch ein wohnungszentrales Lüftungsgerät mit integrierter Wärmerückgewinnung ersetzt. Auch dabei stehen wieder höhere Investitionskosten einer Energieeinsparung gegenüber (Bild 8).

Zusammenfassung

Ein Vergleich der Betriebs- und Investitionskosten bei Referenzgebäude und Mustergebäude findet in den Bildern 9 und 10 statt.

Die kontrollierte Wohnungslüftung erhöht beim Mustergebäude gegenüber dem Referenzgebäude die Investitionskosten. Die Mehrkosten durch die Wärmepumpe werden zum großen Teil durch den Verzicht auf die Solarthermie kompensiert. Die Investitionen für das Verteil- und Übergabesystem der Trinkwassererwärmung sind beim Mustergebäude deutlich höher. Die Erleichterungen bei der Trinkwasserverordnung sind dagegen bei den Betriebskosten nicht dargestellt. Die Mehrkosten für die Fußbodenheizung entstehen allein durch die zusätzlichen Badheizkörper.

Bei einer angenommenen Steigerung des Gaspreises von 6 % pro Jahr und einer prognostizierten Steigerung des Strompreises von 4 % pro Jahr errechnet sich eine Amortisationszeit für die höheren Investitionskosten des Mustergebäudes von etwas mehr als zehn Jahren (Bild 11).

Diskussion des Ergebnisses

Ausgangspunkt der Betrachtung war der Vergleich eines Gebäudes, das nach den Vorgaben der EnEV gebaut wurde, mit einem Gebäude, das mit einer alternativen Gebäudetechnik zum Heizen und zur Warmwasserversorgung ausgestattet wurde. Dabei unterliegen natürlich viele der genannten Kosten Schwankungen, wenn diese Ergebnisse auf andere Gebäude übertragen werden sollen. Die Auslegung der Fußbodenheizung, die Verteilerpositionierung, die Leitungsführung der Trinkwasseranlage, der Aufstellort der Wärmepumpe und andere Parameter werden zu unterschiedlichen Werten führen. Deshalb kann ein Vergleich immer nur einen Trend abbilden und zum Nachdenken anregen. Hierzu gibt es ein passendes Zitat von Herman Hesse: „Die Praxis sollte das Ergebnis des Nachdenkens sein – nicht umgekehrt“.

Bei den ermittelten Amortisationszeiten sind die Ergebnisse stark von den angenommenen Preissteigerungsraten für Gas und Strom abhängig. Einen Überblick über derzeitige Prognosen (Bilder 12 und 13) liefert beispielsweise das Onlineportal www.et-energie-online.de .

In Abhängigkeit der Szenarien, die tatsächlich eintreten, ändern sich die Amortisationszeiten. Sie werden aber bei allen Szenarien unterhalb der Lebensdauer des Gebäudes liegen und umso kürzer werden, je höher die Energiepreissteigerungen ausfallen.

Ausblick

Die reine Fokussierung auf die Kosten verstellt auch den Blick auf einige Vorteile, die das Mus­tergebäude bietet:

Eines der größten Potentiale des Alternativkonzeptes liegt in der Option, mit geringen Modifikationen und Mehrkosten das Gebäude auch zu kühlen. Bereits heute wird in Mitteleuropa an mehr als 1100 h im Jahr eine Raumtemperatur von 26 °C überschritten. Diese wird als Höchsttemperatur definiert, die noch als behaglich von den Nutzern empfunden wird. Eine immer bessere Dämmung der Gebäude bei einem zunehmend höheren solaren Eintrag durch die Bauweise und die Klimaveränderung, gepaart mit einem höheren Anspruch auf (thermischen) Komfort, wird dazu führen, dass das Thema Kühlung von Wohngebäuden in den nächsten Jahren einen immer höheren Stellenwert erhält.

Um das Mustergebäude zu kühlen, ist der Einbau einer rever­si­blen Luft/Wasser-Wärmepumpe notwendig, die gegenüber einer herkömmlichen Wärmepumpe Zusatzkosten von etwa 2000 € verursacht. Die Fußbodenheizung ist mit ihrer Optimierung auf die Wärmepumpe gleichzeitig auch für den Kühlfall optimiert und die eingesetzten Regelungskomponenten können schon in der Ausführung des Mustergebäudes den Kühlfall regeln.

Fazit

Moderne Anlagentechnik und eine Gesamtplanung, bei der sich alle Beteiligten und Hersteller abstimmen, liefert Anlagenkonzepte, die bei vertretbaren Investitionskosten deutlich energieeffizienter sind als die Standardvorgaben des Referenzgebäudes der EnEV 2009.