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Magazin des LFE

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Welches Heizsystem passt zum Haus?

gepostet von (690 x gelesen) im
Dez 23 2019

Wer in einem unsanierten Bestandsgebäude seine Heizungsanlage erneuern möchte, steht vor schwerwiegenden Entscheidungen, weil die Auswahl über die kommenden 20 Jahre die Heizkosten bestimmt. Deshalb lohnt es sich, einen Energieberater zu Rate zu ziehen. Wenn ein ergänzendes oder neues Heizungssystem auf Basis erneuerbarer Energien gewünscht ist, muss vorab genau geprüft werden, welche Heizung für den Bauherrn die richtige ist. Dabei müssen sowohl die Anschaffungskosten als auch die Heizkosten berücksichtigt werden.

Ergänzung bestehender Gas- und Öl-Heizungen

Soll die bestehende Gas- und Öl-Heizung noch nicht ausgetauscht werden, bietet sich technisch vor allem eine Solaranlage zur Warmwasserbereitung an, die je nach Größe 50 – 60 % des Warmwasserbedarfs decken kann. Auch eine Ergänzung um einen wasserführenden Kaminofen mit Einbindung in das Heizsystem kann sinnvoll sein, wenn das Holz kostengünstig zur Verfügung steht.

Wenn neben der „Heizungsumrüstung“ eine umfassende Sanierung des Gebäudes geplant ist, sollte der alte Kessel so lange genutzt werden, bis die energetische Sanierung der Gebäudehülle abgeschlossen ist. Die alte Heizungsanlage kann nach erfolgter Sanierung ggf. noch eine Luft-Wasser-Wärmepumpe als Spitzenlastsystem ergänzen. Nach energetischer Sanierung ist die alte Heizung überdimensioniert und der neue Wärmeerzeuger kann damit eine deutlich kleinere Heizleistung haben. Deshalb gehört zu jeder energetischen Sanierung auch die Anpassung der Heizungsanlage an den neuen, deutlich geringeren Heizwärmebedarf, indem insb. die Heizkreistemperaturen deutlich reduziert werden können.
Sollte sich der Bauherr für ein Mikro-BHKW entscheiden, ist ebenfalls noch eine Spitzenlastheizung erforderlich, für die der alte Kessel ggf. noch verwendet werden kann.

Im Falle eines Heizungsersatzes müssen drei Fälle unterschieden werden:

  1. Der alte Kessel soll ohne zusätzliche Maßnahmen an der Gebäudehülle ausgetauscht werden
  2. Komplettsanierung auf Neubauniveau bei Weiternutzung der Bestandsheizkörper
  3. Komplettsanierung auf Neubauniveau oder besser und Flächenheizung (z.B. Fußbodenheizung)

Damit ist die Entscheidung, welche Maßnahmen zusätzlich zur Heizungserneuerung geplant sind, die Basis für die Auswahl eines passenden Heizsystems - auch eine Kombination aus verschiedenen Komponenten kann sinnvoll sein. Die drei Konstellationen und sich daraus ergebende technisch sinnvolle Versorgungsalternativen werden im Folgenden erläutert.

 

1. Der alte Kessel soll ohne zusätzliche Maßnahmen an der Gebäudehülle im energetisch unsanierten Altbau ausgetauscht werden

Damit bleiben hohe Heizkreistemperaturen erforderlich. Dadurch bleibt dem Bauherrn auf Basis erneuerbarer Energien nur eine Biomasseheizung. Diese kann gut mit einer Solaranlage zur Brauchwasserunterstützung kombiniert werden, die 50 - 60 % des Warmwasserbedarfs je nach Anlagengröße deckt.
Im Falle Biomasse plus solarer Trinkwassererwärmung erhält der Bauherr Zuschüsse vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), die sich aufgliedern in den Zuschuss für die Biomasseheizung (3.000 €) in Kombination mit einem Heizungspufferspeicher (plus 500 €), den Zuschuss für die Solaranlage (plus 500 €), den Kombinationsbonus von ebenfalls noch einmal 500 €, sowie den Optimierungsbonus in Höhe von 10 % der Investitionskosten oder max. 50 % der Basisförderung, also 1.500 €. In Summe ergibt sich also ein Zuschuss von 5.500 €.
Wenn sich der Bauherr für eine Biomasseanlage mit Feinstaub-Partikelabscheidung oder Brennwertnutzung und einem Pufferspeicher entscheidet, kann er sogar den Innovationszuschuss von 5.250 € erhalten, plus 50 % Optimierungsbonus – das entspricht 2.625 € – plus 500 € für die Solaranlage und 500 € Kombinationsbonus. In Summe ergibt sich damit ein Zuschuss von 8.875 €.
Bei einer Biomasseanlage mit Holzpellets muss auch entsprechender Lagerplatz beispielweise bei Ersatz einer Ölheizung durch eine Pelletsheizung vorhanden sein. Hierfür kann entweder ein separater Raum als Lager dienen, oder es wird ein Sacksilo für die Pellets errichtet. Soll es eine Stückholzheizung sein, weil der Hausherr auch langfristig kostengünstig Holz beziehen kann, ist zu bedenken, dass das Holz zur Trocknung ebenfalls Lagerfläche braucht. Auch der Pufferspeicher – bei Scheitholzheizung obligatorisch – braucht Platz, sein Volumen hängt von der Leistung der Heizungsanlage ab und ist vom BAFA festgelegt.
Die Solaranlage zur Warmwasserbereitung sollte sowohl im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit als auch auf den sommerlichen Stillstand so klein wie möglich ausfallen, etwa 4 m² reichen für 4 Personen mit sparsamen Warmwasserverbrauch von je 30 l Warmwasser (bei 60 °C). Der solare Ertrag kann durch Warmwassernutzung für Waschmaschine und Geschirrspüler erhöht werden, dafür sind entweder für Warmwasserbetrieb geeignete Waschmaschinen / Geschirrspüler auszuwählen, oder es sind Vorschaltgeräte erhältlich, sowohl für Waschmaschine als auch für Geschirrspüler. Da der hauptsächliche Stromverbrauch von Waschmaschine / Geschirrspüler jeweils in der Wasseraufheizung liegt, sollte die solare Anbindung geprüft werden. Die Auslegung einer thermischen Solaranlage sollte auf Basis einer Simulationsrechnung erfolgen.
 

2. Komplettsanierung auf Neubauniveau bei Weiternutzung der Bestandsheizkörper

Bei energetischer Sanierung entstehen Reserven bei der Heizkörperleistung. Wie hoch diese sind, hängt davon ab, wie die Heizkörper zuvor dimensioniert waren und welche Reserven nach der Dämmung in jedem Raum zusätzlich entstehen. Die Vorzugslösung bei Weiternutzung der Bestandsheizköper ist eine Biomasseanlage. Dafür muss also die neue Heizlast mit der Leistung der Bestandskörper abgeglichen werden, der / die am knappsten dimensionierten Heizkörper bestimmen, wie weit die Heizkreistemperaturen abgesenkt werden können und sind ggf. zu ersetzen. Dies ist auch deswegen erforderlich, um den Brennwert auch bei Holzheizung so gut wie möglich ausnutzen zu können und dafür sind die Rücklauftemperaturen wie auch bei einer Gasbrennwertheizung so weit wie möglich abzusenken.


Bei Weiternutzung der Bestandsheizkörper ist eine Wärmepumpe ungeeignet. 

Abbildung 1 - Erforderliche Mehrleistung von Heizkörpern gegenüber 70/55/20°C

Abbildung 1 - Erforderliche Mehrleistung von Heizkörpern gegenüber 70/55/20°C

Um auf wärmepumpentaugliche Vorlauftemperaturen von < 40 °C absenken zu können, müsste der Heizkörper nach Sanierung mindestens um das 4-fache überdimensioniert sein. Die Basisförderung des BAFA ist an eine Mindestjahresarbeitszahl geknüpft, die bei höheren Vorlauftemperaturen nicht erreichbar ist.


3. Komplettsanierung auf Neubauniveau oder besser inkl. Flächenheizung (z.B. Fußbodenheizung) oder Neubau

Nur in Kombination mit einer Flächenheizung – im Bad ergänzt um einen Handtuchradiator – ist eine Wärmepumpe sinnvoll, weil dadurch für die Heizung geringe Vorlauftemperaturen von möglichst nur 35 °C garantiert sind. Die Warmwasserbereitung, die aufgrund hoher Temperaturen nur geringe Arbeitszahlen der Wärmepumpe bedingt, kann durch eine kleine Solarwärmeanlage (ca. 4 m²) unterstützt werden. Die Kombination mit einer Photovoltaikanlage ist ebenfalls sinnvoll.

Eine solare Heizungsunterstützung ist nur bei Sole-Wasser-Wärmepumpensystemen mit flächig verlegtem Erdkollektor oder bei Erdwärmesonden ratsam. Doch auch hier sollte die Solarfläche nicht zu groß gewählt werden. Durch die sommerlichen solaren Überschüsse kann das Erdreich im Sommer wieder mit Wärme aufgeladen werden. Eine umfassende Heizungsfachplanung sowohl für die Auslegung von Flächenkollektor oder Erdwärmesonde als auch für die Heizflächen (z.B. über enge Verlegeabstände) ist unbedingt ratsam, insbesondere wenn der Innovationsbonus für Wärmepumpen angestrebt wird. Bei Erdwärmesonden ist eine Probebohrung zur Ermittlung der Entzugsleistung des Bodens durchzuführen.

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe ist sinnvoll mit einem wasserführenden Kamin für den Winterbetrieb zu kombinieren. Die Kombination aus Luft-Wasser-Wärmepumpe mit solarer Warmwasserbereitung ist technisch sinnvoll, jedoch nicht unbedingt wirtschaftlich, hier ist die Kombination mit einer Photovoltaikanlage ggf. sogar sinnvoller. Auch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung ist ein technisch sinnvoller Ergänzungsbaustein.
Durch die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung reduziert sich die erforderliche Leistung der Fußbodenheizung, weil die Raumluft schon vorerwärmt in das Haus gebracht wird und nur noch die Temperaturdifferenz durch die Heizkörper aufgewärmt zu werden braucht. Ein Beispiel: Bei 0 °C Außentemperatur, 20 °C Raumtemperatur und einem Wärmerückgewinnungsgrad der Lüftungsanlage von 80 % beträgt die Zulufttemperatur 16 °C. Damit braucht die Zuluft nur noch von 16 °C auf 20 °C nacherwärmt zu werden. Bei 90 % Wärmerückgewinnungsgrad beträgt die Zulufttemperatur sogar 18 °C.

Über die weitere Erwärmung der Zuluft über Raumtemperatur können zumindest geringe zusätzliche Wärmeleistungen in den Raum gebracht werden. Bei 150 m³/h und 26 °C Zulufttemperatur (gegenüber 20 °C Raumtemperatur) beträgt die zusätzliche Wärmeleistung ca. 300 W). Aus Gründen der Behaglichkeit sollte die Temperatur der Zuluft 28 °C nicht überschreiten. Eine Lüftungsanlage kann auch zur Vorerwärmung bei Frost mit einem Sole-/Luft-Vorwärmregister und einem flächig verlegten – soledurchflossenen - Erdkollektor kombiniert werden. Die Luftnacherwärmung kann über den Heizkreis mit einem Nachwärmregister erfolgen. Eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung würde als Einzelmaßnahme kombiniert mit einer Dämmung an einem Hüllbauteil über das Lüftungspaket mit einem Zuschuss von 15 % beim KfW-Programm 430 für Ein- und Zweifamilienhäuser gefördert werden.

Folgende Zuschüsse gibt es vom BAFA für eine Wärmepumpe:

Zuschüsse gibt es vom BAFA für eine Wärmepumpe

Auch eine Biomasseheizung mit solarer Warmwasserbereitung und Photovoltaikanlage und ggf. auch mit Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung ist eine technisch sinnvolle Kombination.

Vor der Entscheidung für ein Heizsystem ist grundsätzlich eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchzuführen, um dem Bauherrn auch die finanziellen Auswirkungen seiner Auswahl darzulegen. Diese betrachtet die Gesamtkosten über die Anlagenlaufzeit, die damit sowohl die Anschaffungskosten als auch die Heiz- und Betriebskosten wie Wartung berücksichtigt.

Bei der Wärmepumpe ist zu bedenken, dass die Jahresarbeitszahl wesentlich die Heizkosten der Folgejahre beeinflusst, zumal Strom mind. das 4-fache von z.B. Erdgas kostet. Kostengleichheit bei den Energiekosten ergibt sich damit nur bei einer Jahresarbeitszahl ≥ 4, was nur mit solarer Warmwasserbereitung realistisch erreichbar ist.

Die erforderliche Vorlauftemperatur für die Warmwasserbereitung lässt sich durch sog. Frischwasserstationen von 60 °C auf 50 °C reduzieren. Frischwasserstationen erwärmen das Warmwasser im Durchlaufverfahren über einen Wärmetauscher nur bei Abnahme.

 

Auf einen Blick – Technisch sinnvolle Konstellationen 

Technisch sinnvolle Konstellationen

Legende: +++ besonders geeignet; +eingeschränkt geeignet

Eine solare Warmwasserbereitung, eine Photovoltaikanlage sowie auch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung sind generell ideale Partner, sowohl für eine Biomasseanlage als auch für eine Wärmepumpe. 

solare Warmwasserbereitung, eine Photovoltaikanlage sowie auch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung sind generell ideale Partner

Legende: +++ besonders geeignet; +eingeschränkt geeignet, --- ungeeignet
 

Für welches System sich der Bauherr entscheidet, bestimmt über die Anlagenlebenszeit seine Betriebskosten, weswegen gründlich abzuwägen ist, gerade in Hinblick auf eine mögliche Sanierung in mehreren Schritten, welches System das ideale ist. Darüber entscheidet wesentlich das verfügbare Budget des Bauherrn.

Sowohl mit einer Biomasseheizung als auch mit einer Wärmepumpe ist jeder KfW-Effizienzhausstandard bis hin zum KfW-Effizienzhausstandard 55 erreichbar. Gerade bei einer Wärmepumpe ist generell eine besonders gute Wärmedämmung hin zum KfW-Effizienzhausstandard 85 oder gar 55 sinnvoll. Wünschenswert wäre hinsichtlich der Fördermittel, dass auch für Sanierung das sog. Pluspaket (mit zusätzlichen 5 % Zuschuss für Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und Photovoltaikanlage) bei energetischer Sanierung zum KfW-55-Standard ebenfalls angeboten würde. Generell wäre das Pluspaket auch bei den KfW-Effizienzhausstandards 70, 85 und 100 gerade in Kombination mit einer Wärmepumpe sinnvoll. Insofern wäre eine Förderung, die wie bei der BAFA-Förderung auch kleinteilige Bausteine fördert, wünschenswert.

Auch wenn es vom BAFA Förderung für eine Heizung auf Basis erneuerbarer Energien gibt, und technisch sinnvolle Lösungen dargestellt wurde, ist die Wirtschaftlichkeit bei alleiniger Erneuerung der Heizungsanlage ohne energetische Sanierung und speziell bei kleinen thermischen Solaranlagen nicht gegeben. Demnach ist die Entscheidung für die Beheizung mit erneuerbaren Energien in erster Linie eine ökologische, aber keine wirtschaftliche Entscheidung. Es ist wünschenswert, dass auch die BAFA-Förderung nicht nur für thermische Solaranlagen attraktiver wird.


Infokasten Innovationsbonus Wärmepumpe

Wärmepumpen sind über einen Investitionsbonus förderfähig, wenn sie bestimmte Jahresarbeitszahlen erreichen. Hierfür wurden in einer Handreichung des BAFA „Innovationsförderung - Wärmepumpen mit verbesserter Systemeffizienz - Förderfähige Anlagenkonzepte“ vom 24.11.2017 verschiedene Systemkonstellationen und deren Mindestvoraussetzungen mit den entsprechenden Mindestjahresarbeitszahlen definiert. Die Anlagenkonzepte sollen im Folgenden beschrieben werden, ebenso wie der Weg, die geforderten Jahresarbeitszahlen zumindest rechnerisch zu erreichen. Dabei wird zur Ermittlung der Jahresarbeitszahl die gesamte an die Wärmeverteilung abgegebene Wärmemenge (Nutzwärme) inkl. Speicherverlusten zu der erforderlichen Strommenge ins Verhältnis gesetzt (ohne Heizungsumwälzpumpe und Zirkulationspumpe). Basis der Ermittlung der rechnerisch erreichbaren Jahresarbeitszahlen ist also die energetische Bilanzierung im Rahmen des EnEV-Nachweises.

Weiterhin wird vom BAFA zur Erfassung aller von der Wärmepumpe aufgenommenen Strommengen ein Stromzähler gefordert. Außerdem ist mindestens ein Wärmemengenzähler aller durch die Wärmepumpe abgegebenen Wärmemengen Fördervoraussetzung, um daraus die tatsächlich erzielten Jahresarbeitszahlen zu errechnen und deren Entwicklung jährlich nachzuverfolgen. Damit können über ein regelmäßiges Anlagen-Monitoring der Zählerstände Fehler rechtzeitig erkannt werden.

Förderhöhen Wärmepumpe:

Förderhöhen Wärmepumpe

Folgende Mindestjahresarbeitszahlen sind in Abhängigkeit vom Anlagenkonzept mindestens zu erreichen:

Mindestjahresarbeitszahlen

Der Nachweis der Jahresarbeitszahl für den Innovationsbonus erfolgt über eine dem Förderantrag beizufügende Simulationsrechnung. Demzufolge ist zwingend eine gebäudetechnische Fachplanung der Wärmepumpe im Allgemeinen sowie der Heizungsanlage inkl. Heizlastberechnung, Heizflächenauslegung und hydraulischen Abgleich erforderlich. Dies bedeutet automatisch, dass ein entsprechend qualifizierter Fachplaner für die Nachweisführung zu beauftragen ist.

Um die Jahresarbeitszahlen bewerten zu können, lohnt ein Blick auf die im einzelnen erreichbaren Arbeitszahlen in Abhängigkeit von Wärmequellen- und Wärmeabnahmetemperatur.

erreichbare Arbeitszahlen in Abhängigkeit von Wärmequellen- und Wärmeabnahmetemperatur

Um eine möglichst hohe Jahresarbeitszahl zu erreichen, sollte also gerade bei der Warmwasserbereitung möglichst eine Arbeitszahl von 3 angestrebt werden. Zudem wirkt sich auch die Erhöhung der Wärmequellentemperatur positiv auf die Jahresarbeitszahl aus. Die Heizungsvorlauftemperatur sollte 35 °C nicht überschreiten. Vor allem ein möglichst sparsamer Wasserverbrauch wirkt sich positiv auf die in der Nutzung messbaren Jahresarbeitszahlen aus.

Die Beispielrechnung geht von einem Warmwasserbedarf von 12,5 kWh / (m² a) und einem Heizwärmebedarf von 21,4 kWh/m²K (KfW-Effizienzhausstandards 55) aus.

Die Überprüfung der Jahresarbeitszahl erfolgt zunächst für das Anlagenkonzepte mit Sole-Wasser-Wärmepumpe über die Monatsbilanzen:

Monatsbilanzen

Es zeigt sich, dass selbst bei den angesetzten, relativ guten monatlichen Arbeitszahlen von 4,0 bis 4,4 fürs Heizen und einer Arbeitszahl für die Warmwasserbereitung von durchgängig 3 noch nicht einmal die Mindestjahresarbeitszahl für Sole-Wärmepumpen von 3,8 erreicht wird (JAZ ohne ST). Erst wenn eine Solaranlage für die Warmwasserbereitung ergänzt wird, sind auch Jahresarbeitszahlen von über 4 erreichbar (JAZ mit ST WWB). Im betrachteten Falle deckt die Solaranlage 50 % des Warmwasserbedarfs ab. 


Heizkörperleistungen in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur

Heizkörperleistungen in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur

Sollte eine Beheizung über Heizkörper in Kombination mit Wärmepumpe geplant sein, wäre für alle Räume zumindestens das 4-5 fache an Leistung gegenüber 70/55°C erforderlich, weswegen die Kombination Wärmepumpe mit Heizkörpern ungeeignet ist, wenn sie nicht mit einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung oder einer Flächenheizung (z.B. Fußbodenheizung) kombiniert wird. 
Demgegenüber ergeben sich nach energetischer Ertüchtigung des Gebäudes ohne Lüftungswärmerückgewinnung je nach Größe des Raums bei kleinen Räumen wie beim Bad mit Raumflächen um 4-6 m² nur Leistungsreserven um den Faktor 1,5-2 und für größere Räume ergeben sich Leistungsreserven um den Faktor 3. 
Mit Lüftungswärmerückgewinnung erhöht sich die Leistungsreserve etwa um den Faktor 2 und für größere Räume ergeben sich Leistungsreserven um den Faktor 4-5. Zusätzliche Leistungsreserven ergeben sich durch die zusätzliche Erwärmung der Zuluft über Raumtemperatur, womit je nach Volumenstrom noch einmal 200 – 400 W in die Räume gebracht werden können.

Leistungsreserven

 

 

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