Konzepte zur Umstellung auf eine nachhaltige Gebäudeheizung

Für die Beheizung von Gebäuden sollten zur Verringerung des Energiebedarfs und von Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) aber auch aus wirtschaftlichen Gründen vor allem folgende Systeme verwendet werden:

• Wämeversorgung über ein Nah- oder Fernwärmenetz mit regenerativen Energieträgern
• Wärmeversorgung über Wärmepumpen
• Abwärmenutzung über Lüftungsanlagen  mit Wärmerückgewinnung (kontrollierte Wohnungslüftung)
• Wärmeversorgung über Heizkessel mit regenerativen Energieträgern (Holz, Biogas, Bioöl)
• Wärmeversorgung über elektrische Systeme

Alle Systeme können mit Anlagen zur Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie ergänzt werden.

Für Anlagen mit einem ganzjähren Wärmebedarf (insbesondere Trinkwarmwasserbereitung) ist auch eine thermische Solaranlage sinnvoll.

Für alle Anlagen gilt, dass:

• ein niedriger Energiebedarf eines Gebäudes (Dämmstandard der Gebäudehülle) für den Gesamtenergiebedarf entscheidend ist. Durch die beste Technik kann kein hoher Energiebedarf ausgeglichen werden.
• Zentrale Systeme für die Heizung und Trinkwarmwasserversorung sind in der Regel Voraussetzung für die Umsetzung regenerartiver Anlagentechnik.
• Einige Systeme können nur sinnvoll mit niedrigen Systemtemperaturen (max. 55/45 °C) betrieben werden (Wärmepumpe, thermische Solaranlagen). Deshalb sollten Systeme mit möglichst niedrigen Systemtemperaturen installiert werden (Fußbodenheizungen 35/28 °C | Radiatoren 55/45 °C).

Folgende Wärmeerzeuger beziehen ihre Energie aus fossilen Energieträgern und sollten deshalb nur gemeinsam mit den oben genannten Systemen betrieben werden:

• Wärmeerzeuger (auch Brennwertgeräte) auf der Grundlage von Erdgas oder Heizöl. Sowohl die Verbrennung von Erdgas als auch Heizöl verursacht hohe CO2-Emissionen
• Blockheizkraftwerke (BHKW), »Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), Stromerzeugende Heizung oder Brennstoffzellen arbeiten in der Regel mit Erdgas oder Heizöl. Der Vorteil dieser Geräte liegt in der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme. Damit sind diese Geräte besser als konventionelle Stromversorger, die Wärme bei der Stromerzeugung nicht nutzen. Sie können zur Entlastung des Stromnetzes beitragen aber verringern CO2-Emissionen nur selten. Brennstoffzellen sind wegen des für die Herstellung benötigten Platins teuer und nur bei Verwendung von Wasserstoff klimapolitisch sinn

Folgende Energieträger können wegen der beschränkten Verfügbarkeit und der vorzugsweisen Verwendung für Hochtemperaturprozesse in der Industrie nur bedingt für die Wärmeerzeugung in Gebäuden empfohlen werden: 

• Biomasse (Holz, Abfälle, Biogas und Bioöl) steht nur in begrenztem Umfang zur Verfügung
• grüner Wasserstoff (H2) kommt auf der Erde nicht vor und kann nur über die Elektrolyse von grünem Strom hergestellt werden. Die Elektrolyse und der Transport bzw. die Lagerung von Wasserstoff sind aber mit hohen Verlusten verbunden, weshalb die direkte Nutzung von grünem Strom sinnvoller ist.
• blauer Wasserstoff (H2) entsteht durch die Dampfreformierung aus fossilen Energieträgern. Das bei der Herstellung entstehende CO2 wird jedoch abgeschieden und soll dauerhaft unterirdisch gelagert werden (Carbon Capture and Storage - CCS-Technik). Damit setzt blauer Wasserstoff nur geringe Mengen CO2 frei. Die CCS-Technologie ist nicht unumstritten.
• synthetische Gase (PtG) oder Öle (PtL) aus grünem Strom werden aus Wasserstoff, verbunden mit weiteren Verlusten gewonnen und sind die am wenigsten effizientesten Energieträger.
• Verbrennung von fossilen Energieträngern (z.B. Erdgas bzw. Heizöl) mit CCS (Carbon Capture and Storage) ist nur in großen Anlagen sinnvoll einzusetzen. Zudem ist die Technologie nicht unumstritten.

Wärmepumpen

Da Wärmepumpen nur eine max. Vorlauftemperatur von 55..60 °C liefern, können diese nur mit Niedertemperatursystemen betrieben werden. Niedertemperatursysteme sind Fußbodenheizungen oder Radiatoren mit einer niedrigen Systemtemperatur (max. 55/45 °C). Bisher wurden/werden Radiatoren meist mit Systemtemperaturen von 70/55 °C oder auch 90/70 °C dimensioniert. Eine Reduzierung der Systemtemperatur auf die notwendige geringe Systemtemperatur von Wärmepumpen ist nur mit einer deutlichen Vergrößerung der Heizflächen, energetischen Verbesserung der Gebäudehülle und/oder gar nicht möglich.

Wenn Wärmepumpen nicht als monovalenter Wärmeerzeuger (also als alleiniger Wärmeerzeuger) betrieben werden können, dann besteht meist die Möglichkeit, eine Wärmepumpe mit anderen Systemen zu kombinieren. Bei einer Systemtemperatur von 70/55 °C können immerhin etwa 80..85% des jährlichen Energiebedarfs von der Wärmepumpe gedeckt werden. Für Spitzenlasten (an kalten Tagen) wird aber ein weiterer Wärmeerzeuger benötigt, der die vollständige Heizlast des Gebäudes abdecken kann. Dabei ist zu bedenken, dass der Spitzenlastwärmeerzeuger (in der Regel Gas-Brennwert-Technik) dann einen zusätzlichen Gasanschluss und Schornstein benötigt und zwei Geräte gewartet werden müssen.

Als monovalenter Wärmeerzeuger ist die Verwendung von Erdwärme als Wärmequelle sinnvoll. Dabei ist zu beachten, dass die Erschließung von Erdwärme zu erheblichen Investitionskosten führt. Auch Luftwärmepumpen werden als quasi monovalente Systeme eingesetzt, wobei in diesem Fall die Spitzenlasten durch einen Heizstab abgedeckt werden.

Bei bivalenten Konzepten ist eine Luftwärmepumpe meist genau so effizient, wie eine Erdwärmepumpe. Die Effizienz des Gesamtsystems hängt von der notwendigen Systemtemperatur und dem gewählten Bivalenzpunkt (Temperatur, bei der der Spitzenlastwärmeerzeuger zugeschaltet wird) ab.

Die Effizienz von Wärmepumpen wird über die Jahresarbeitszahl (JAZ) bzw. den Coefficient of Performance (COP) beschrieben. Ein hoher Wert beschreibt eine hohe Effizienz der Nutzung regenerativer Wärmequellen.

Wärmepumpen benötigen für den Betrieb Kältemittel. Bisher wurden wegen der günstigen thermodynamischen Eigenschaften dafür vor allem halogenierte Kohlenwasserstoffe (»Halogenwasserstoffe bei Wikipedia) verwendet. Diese haben oft ein hohes Treibhauspotential, weswegen ihr Einsatz inzwischen weltweit beschränkt wird. Viele dieser Kältemittel sind darüber hinaus sogenannte Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (»PFAS bei Wikipedia), die wegen Ihrer gesundheitsgefährdenden Wirkung kurz vor einem Verbot stehen. Deshalb ist bei der Neuinstallation einer Wärmepumpe die Verwendung natürlicher Kältemittel (R290 Propan, R600a Isobutan, R1270 Propen, R717 Ammoniak, R718 Wasser oder R744 Kohlendioxid) zu empfehlen.

Solaranlagen

Bei Solaranlagen unterscheidet man zwischen:

• Thermischen Solaranlagen (Flachkollektoren und Röhrenkollektoren), die Wärme produzieren, die dann für die Trinkwarmwasserbereitung oder die Heizung verwendet werden kann
• PV-Anlagen, die Strom produzieren, den man selbst nutzen oder in das öffentliche Netz eingespeisen kann.

In beiden Fällen wird vor allem im Sommer vergleichsweise viel und im Winter vergleichsweise wenig Energie erzeugt. Für die Beheizung wird aber gerade im Sommer keine und im Winter viel Energie benötigt. Übliche Speichersysteme sind nur für den Zeitraum von wenigen Tagen ausgelegt. Saisonale Speicherkonzepte sind entweder zu teuer oder bisher nur in Pilotprojekten realisiert worden. Deshalb eignen sich thermische Solaranlagen vorzugsweise für die Trinkwarmwasserversorgung. Strom aus PV-Anlagen sollte aus wirtschaftlichen Gründen vorrangig selbst genutzt werden. Deshalb sollten Solaranlagen auf die Grundlast ganzjähriger Anwendungen ausgelegt werden.

Wegen der hohen Leistung von elektischen Durchlauferhitzern ist der Betrieb mit Solarstrom in der Regel nicht möglich.

Fern- und Nahwärmenetze

Fern- und Nahwärmenetze sind meist eine sinnvolle Alternative zu gebäudezentralen Wärmeerzeugern, weil größere Anlagen meist effizienter betrieben werden können und sich in größeren Netzen alternative Konzepte zur Wärmeerzeugung leichter realisieren lassen. Auch lässt sich Abwärme meist nur in Wärmenetzen sinnvoll nutzen.

Nachteilig sind die Wärmeverluste über das Netz (vor allem bei großen, stadtweiten Netzen) und die Kosten für den Betrieb, der oft teuer ist als bei einer gebäudzentralen Wärmeversorgung.

Zur Verringerung von Netzverlusten können Wärmenetze auch als sogenannte "Kalte Netze" betrieben werden. Die notwendige Systemtemperatur wird dann über Wärmepumpen in den angeschlossenen Gebäuden erzeugt.

Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung

Eine kontrollierte Wohnungslüftung (KWL) mit Wärmerückgewinnung (WRG) gehört zwar im Passivhaus zur Standardausrüstung, ist aber bei anderen Wohngebäuden nur selten zu finden. Dabei gibt es einige wichtige Argumente für eine Wohnungslüftung:

• Die KWL sorgt für eine hygienische Luftqualität, die mit einer Fensterlüftung nicht erreicht werden kann.
• Die Einsparungen durch die Wärmerückgewinnung sind im Vergleich zum notwendigen Energiebedarf für die Ventilatoren höher, als wenn man die Luft mit einer Wärmepumpe heizt (COP 4..5).
• Durch den Einsatz von Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung kann die Heizlast bei gut gedämmten Gebäude deutlich reduziert werden, was gerade bei Wärmepumpen zu einer erheblichen Kosteneinsparung führt.

Für Lüftungsanlagen ist eine luftdichte Gebäudehülle notwendig. Die Luftdurchlässigkeit des Gebäudes sollte nach DIN EN ISO 9972 gemessen werden.

Eine Lüftungsanlage für Wohngebäude wird nach DIN 1946 berechnet. Für Nichtwohngebäude ist eine Berechnung nach DIN EN 16798 notwendig.

Optimierung von Heizungsanlagen

Weitere Möglichkeiten zur Optimierung von Heizungsanlagen sind:

• Überprüfung der Heizlast nach DIN EN 12831 und Einstellung der Systemtemperatur (Heizkurve).
• Reinigung von Rohrleitungen, Heizkörpern und Fußbodenheizungen und Betrieb der Heizungsanlage mit aufbereitetem Heizungswasser nach VDI 2035. Dadurch lassen sich Schäden am Wärmeerzeuger und an Heizkörpern / Fußbodenheizungen verringern. Gerade in alten Anlagen hat das Heizungswasser meist eine sehr schlechte Qualität (siehe auch: https://wiki.energie-m.de/Heizungswasser).
• Der hydraulische Abgleich der Heizungsanlage mit einer
  - Erneuerung von Thermostatventilen und Voreinstellung
  - Einstellung von Strangventilen oder Einbau von automatischen Differenzdruckventilen
  - Einstellung der Heizungspumpen
  (siehe auch: »wiki.energie-m.de/Hydraulischer_Abgleich | »VDZ Formulare Hydraulischer Abgleich).
• Aufteilung von großen Versorgungsbereichen mit einer Pumpe auf kleinere Einheiten mit mehreren Pumpen.
• Ausstattung der Wärmeversorger mit Energieverbrauchs- und Energieeffizienzanzeigen. Damit lassen sich falsche Einstellungen und fehlerhafte Installationen leichter diagnostizieren.

Hinweis: Neue Wärmeerzeuger und automatische Differenzdruckventile können nur in Anlagen mit aufbereitetem Heizungswasser sicher und langfristig betrieben werden!