Modernisierung einer Alt-Anlage mit einer Wärmepumpe

Im Grunde genommen kann jeder in die Jahre gekommene Heizkessel durch eine moderne Wärmepumpe ersetzt werden. Es sind allerdings einige Randbedingungen einzuhalten oder durch die Modernisierung zu schaffen, damit eine Wärmepumpe effizient arbeiten kann.

Wenn ich hier von einer Wärmepumpe spreche, bezieht sich das immer auf eine Luft-Wasser-Wärmepumpe. Andere Arten von Wärmepumpen, wie Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen, funktionieren zwar nach dem gleichen physikalischen Prinzip, nutzen aber andere Wärmequellen als die Umgebungsluft. Bei Bestandsanlagen wird es nur in seltenen Fällen möglich sein, Bohrungen in die Erde zu bringen oder Grund- bzw. Fließwasser zu nutzen. Das ist natürlich etwas anders, wenn es um den Neubau geht.

Wenn ich von einer Heizungsanlage spreche, meine ich immer eine Anlage mit Heizkörpern. Dass eine Anlage mit Fußbodenheizung die besseren Randbedingungen bietet, dürfte sich inzwischen herumgesprochen haben. Aber die meisten Anlagen im Bestand nutzen Heizkörper und eine Fußbodenheizung lässt sich auch nicht so einfach nachrüsten.

Sehr alte Warmwasser-Heizungsanlagen aus den Jahren bis etwa 1990 wurden für relativ hohe Vorlauftemperaturen konzipiert. Meist wurde mit einer Vorlauftemperatur von 75 bis 90 °C gerechnet und danach die Rohrleitungen und Heizkörper ausgelegt. In der Heizpraxis bedeutet dies, dass bei der niedrigsten Außenlufttemperatur (Planungsgröße meist -14°C) am Standort der Anlage das Heizungswasser mindestens 75 bis 90°C warm sein muss, damit es überall richtig warm wird.

Wird bei einer solchen Anlage lediglich der alte Kessel gegen eine Wärmepumpe getauscht, kann es bei niedrigen Außentemperaturen vorkommen, dass eine Wärmepumpe nicht mehr effizient arbeitet. Es ist jedoch nicht immer strenger Winter. Heizstatistisch gesehen haben wir die meiste Zeit eine Übergangszeit mit Temperaturen um etwa 4 bis 6°C, so dass in dieser Zeit auch eine Altanlage mit neuer Wärmepumpe nur Heizwassertemperaturen benötigt, die zum Teil deutlich unter 60 °C liegen.

In der Folgezeit nach 1990 wurden in der Regel nur noch Niedertemperaturheizkessel und Thermen mit einer maximalen Auslegungstemperatur von 70 °C geplant und eingebaut. Es ist auch die Zeit der aufkommenden Brennwertgeräte für Gas und Öl, die nur noch für eine maximale Vorlauftemperatur von 50 bis 60 °C konzipiert wurden. In einer solchen Anlage läuft eine moderne Wärmepumpe in der Heizperiode die allermeiste Zeit in einem effizienten Betrieb - sofern sie richtig eingestellt ist.

#Verringerter Heizwärmebedarf durch Modernisierung des Gebäudes

In vielen Gebäuden wurden im Laufe der Jahre die wärmetechnische Eigenschaften des Hauses verbessert, neue Fenster eingebaut, die Dachwärmedämmung oder/und die Dämmung der Außenwand verbessert. Das hatte eine Verringerung der Heizlast des Gebäudes gegenüber dem Ausgangszustand zur Folge.

Die vorhandene Heizungsanlage kann bei verringertem Wärmebedarf auch jetzt schon die meiste Zeit der Heizperiode mit abgesenkten Vorlauftemperaturen betrieben werden. Nicht selten wurden schon beim erstmaligen Einbau der Heizung statt der errechneten Heizkörper größere, leistungsstärkere Heizkörper eingesetzt - auch aus Angst, dass es beim Kunden nicht richtig warm würde. Zahlreiche Altanlagen kommen daher heute mit einer Vorlauftemperatur um 60°C gut hin, und in der Übergangszeit ist die Heizwassertemperatur sogar noch deutlich geringer. Wenn eine ältere Heizungsanlage auch bei längerer Frostperiode nicht mehr als 50°C bis 60°C Vorlauftemperatur benötigt, steht also dem effizienten Einsatz einer Wärmepumpe ohne Heizkörpertausch nichts im Wege.

#Neubewertung des energetischen Zustandes

Um eine belastbare Aussage zur Nützlichkeit einer Wärmepumpe im Vorfeld zu treffen, ist eine möglichst exakte Berechnung der aktuellen Heizlast vom Heizungsinstallateur, besser noch von einem Ingenieurbüro, vorzulegen. Nur an Hand der Neuberechnung des Heizwärmebedarfes kann die erforderliche Wärmeleistung der Wärmepumpe ermittelt werden. Überdimensionierte Wärmpumpen haben eine geringere Effizienz. Die Heizlastberechnung ist auch eine wichtige Voraussetzung für die Durchführung des hydraulischen Abgleichs.

#Wichtige begleitende Maßnahme:  Hydraulischer Abgleich

Der Hydraulische Abgleich führt zur optimalen Abstimmung des Wasserdurchflusses durch Heizkreise bzw. einzelne Heizkörper und Rohre. In jedem Heizkreis bzw. über jedem Heizkörper sollte annähernd der gleiche Druck und damit die gleiche Durchflussmenge zur Verfügung stehen. Fehlender hydraulischer Abgleich führt zu überhöhter oder zu geringer Wärmeabgabe einzelner Heizkörper, ungleichmäßiger Durchströmung einzelner Heizkreise, zu Strömungsgeräuschen und einem hohen Pumpenstrom.

Bei vor 60, 70 Jahren üblichen Schwerkraftheizungen war der hydraulischer Abgleich sozusagen elementarer Bestandteil der Planung - sonst hätte der Schwerkraftumtrieb nicht funktioniert. Nach dem Einzug von Umwälzpumpen in die Heizungstechnik ist dieser Vorgang mehr und mehr in Vergessenheit geraten, kann doch durch leistungsstarke Pumpen ein Zwangsumlauf immer herbeigeführt werden. Leider erhöht sich der Stromverbrauch und es ergibt sich ein ungünstiges Regelverhalten der Thermostatventile.

Zur Durchführung eines hydraulischen Abgleichs müssen die vorhandenen Heizkörper mit einem voreinstellbaren Thermostatventil ausgerüstet sein. Ersatzweise kann auch ein einstellbare Rücklaufverschraubung Anwendung finden.

#Temperaturspreizung

Bei einer Heizungsanlage mit Wärmepumpe ist der hydraulische Abgleich so auszuführen, dass die Spreizung (Vorlauftemperatur minus Rücklauftemperatur) nicht so groß ausfällt wie bei Anlagen mit einem Heizkessel. Im Gegensatz zu einer bei Heizkörpern üblichen Spreizung von 15 bis 20 Grad für ein System mit Heizkessel sollte diese bei einer Wärmepumpe nur bei etwa 6 bis 10 Grad liegen. Eine höhere Temperaturspreizung führt in der Regel zu einer geringeren Effizienz der Wärmepumpe, da sich der Energieaufwand für Pumpe und Kompressor erhöht, die Leistungszahl sinkt. Um die Spreizung zu minimieren sind folgende Maßnahmen zu ergreifen:

1. Die Vorlauftemperatur im Heizungssystem sollte so niedrig wie möglich gehalten werden. Eventuell muss dafür der eine oder andere Heizkörper getauscht, also vergrößert werden.
2. Die auszuwählende Heizkurve sollte so flach wie möglich eingestellt werden. Man wird hier viel experimentieren müssen, um die bestmögliche Variante, dass heißt eine geringe Steilheit der Kurve zu finden.
3. Wenn einzelne, kurze Leitungswege zu den Zapfstellen möglich sind, sollte auf eine Warmwasser-Zirkulation verzichtet werden.
4. Man wird sich daran gewöhnen müssen, dass sich wegen der niedrigeren Vorlauftemperatur die Aufheizphase in den Räumen zeitlich verlängert. Ähnlich wie bei einer Fußbodenheizung muss die Heizungsanlage früher anfangen zu heizen, um den Wärmebedarf zu decken. Häufiges auf und ab ist zu vermeiden. Das ganze System kann nur effizient arbeiten, wenn man gleichmäßiger durchheizt.

#Zwischenlösung

Reicht der gegenwärtige energetische Stand des Gebäudes nicht aus, um eine Wärmepumpe wirtschaftlich zu betreiben, kann ein paralleler Betrieb mit dem alten Kessel ins Auge gefasst werden. Erst nach fortgeschrittenen Dämmmaßnahmen und/oder der Ertüchtigung der Wärmeverteilungsanlage (Einbau größerer Heizkörper, Wand- oder Fußbodenheizung) wird der Heizkessel abgeschaltet und die Installationen für die Brennstoffzufuhr zurück gebaut. Bis dahin übernimmt die Wärmepumpe aber schon 70 bis 90% der Wärmebereitstellung.

#Wärmepumpenheizung bei PV-Anlage

Ist eine Solarstromanlage vorhanden, ist es zweckmäßig die elektrische Wärmepumpe für Heizung und Warmwasser vor allem in solchen Zeiten arbeiten zu lassen, in denen Solarstrom verfügbar ist. Hier spielt auch ein ausreichend groß dimensionierter Solarstromspeicher eine wichtige Rolle. Die Warmwasserbereitung kann von der Solarstromanlage komplett übernommen werden, wenn ein
üppig dimensionierter Pufferspeicher für Heizwärme und Warmwasser eingebaut ist. In der einstrahlungsreichen Mittagszeit kann ein solcher Pufferspeicher bis weit in die Übergangszeit hinein voll beladen werden. Bei der Planung einer Modernisierung mit Wärmepumpe sollte ein Pufferspeicher so groß dimensioniert werden, sodass er die Wärme für Heizung und Warmwasser eines typischen Wintertags abdecken kann.

#Anlagen mit mehreren Heizkreisen

Da eine Wärmepumpe nicht mehrere Temperaturen gleichzeig bereitstellen kann, aber für die Heizkreise unterschiedliche Temperaturniveaus benötigt werden, müssen der Wärmepumpe Mischeinrichtungen nachgeschaltet sein. Bei der Temperaturbereitstellung orientiert sich die Regelung der Wärmepumpe an der höchsten erforderlichen Temperatur, also der Vorlauftemperatur des Radiatorenheizkreises. Für einen Fußbodenheizkreis muss dann kühleres Rücklaufwasser in den Vorlauf gemischt werden.

#Einrohrheizungen

Einrohrheizungen sind für die effiziente Wärmeerzeugung mit Wärmepumpe nicht sonderlich geeignet. Da die einzelnen Heizkörper in einem Strang nicht parallel sondern hydraulisch in Reihe mit vergleichsweise geringen Rohrquerschnitten geschaltet sind, ist zwischen Anfang und Ende eines Stranges eine hohe Temperaturdifferenz (hohe Spreizung) erforderlich. Eine hohe Spreizung sollte aber vermieden werden, da sie wegen des großen Temperaturhubs zu einer ineffizienten Betriebsweise der Pumpe führt. Denkbar ist eine Einrohrheizung mit Wärmepumpe, bei der ein hoher Volumenstrom zirkuliert (große Rohrdurchmesser) und dadurch bei geringen Vorlauftemperaturen eine geringere Spreizung möglich wird.

#Anlagen mit dem Rohrsystem einer Schwerkraftheizung

Prinzipiell ist ein Schwerkraftheizungssystem für eine Wärmepumpe geeignet wenn durch Wärmedämmmaßnahmen die Heizlast der Räume schon deutlich reduziert ist, so dass nur noch Vorlauftemperaturen um 55/60°C erforderlich sind. Die Anlage sollte gründlich gespült werden und nur mit aufbereitetem Wasser befüllt werden. Schlammabscheider einzubauen ist ratsam, eventuell ist ein Trennwärmetauscher sinnvoll. Wenn die Anlage älter als 50 Jahre arbeitet sollte über ein Neubau der Wärmeverteilung nachgedacht werden.

#Anlagen mit hydraulischer Weiche

Eine hydraulische Weiche einer Altanlage sollte nicht weiter verwendet werden. Die Aufgabe der hydraulischen Trennung übernimmt ein ausreichend dimensionierter Pufferspeicher. Der Pufferspeicher ist ein wichtiges Element für eine einwandfreie Funktionsfähigkeit der Wärmepumpenanlage. Er stellt den minimalen Volumenstrom über die Wärmepumpe sicher.

#Anlagen mit Warmwasserbereitung

Die Warmwasserbereitung unterscheidet sich nicht prinzipiell von einer Anlage mit Heizkessel, jedoch steht für einen effizienten Betrieb nur eine vergleichsweise niedrige Vorlauftemperatur für die Aufheizung des Speichers zur Verfügung. Das heißt, im Warmwasserspeicher braucht es einen Wärmetauscher mit einer großen Oberfläche. Um ausreichend Warmwasser zur Verfügung stellen werden wegen der geringeren Speichertemperatur größere Warmwasserspeicher benötigt (etwa 200 bis 300 Liter für Einfamilienhaus).

#Aufstellung

Bei der Außenaufstellung ist zu beachten, das über den Kondensatablauf größere Mengen an Wasser (die zum Beispiel beim Abtauen anfallen) ohne Probleme ablaufen. Ebenso wichtig ist es, sich mit der Schallemission zu beschäftigen. Die Wärmepumpenhersteller bieten als Service Aufstellpläne an.

#Ist der Umbau wirtschaftlich?

Beispiel: Für die Erneuerung der Heizungsanlage einschließlich Warmwasserbereitung hat ein angefragter Heizungsinstallateurmeister einen Angebotspreis von 32.000 € (inkl. MwSt.) aufgerufen. Die Wärmepumpe selbst liegt bei 14.000 €. Die übrigen Kosten entstehen für Warmwasserbereitung, Regelung, Installationskosten etc. Nun, das ist schon ein Brocken. Hier versuche ich eine stark vereinfachte Betrachtung der Kapital- und Betriebskosten ohne Berücksichtigung von Fördermitteln zu machen:

Bei der zu modernisierenden Anlage handelt sich um eine Gas-Heizungsanlage mit einem Kessel in Niedertemperaturtechnik, Baujahr 1990. Der Kessel mit einer Leistung von 18 kW versorgt eine Wohnung in einer Reihenhaussiedlung mit einer Fläche von 110 m². Der Erdgas-Verbrauch lag viele Jahre hindurch bei rund 18000 kWh. Seit 2010 wurden zahlreiche Energiesparmaßnahmen realisiert. U.a. wurden die Fenster gegen 3-fach verglaste Fenster getauscht, das Haus bekam ein Wärmedämmverbundsystem mit 10 cm Dicke, die oberste Geschossdecke erhielt eine 16cm starke Dämmung. In den letzten 6 Jahren pendelte sich der Gasverbrauch bei 11000 kWh ein. Die Heizungsanlage versorgt zwei sparsame Personen mit Warmwasser.

Zunächst wäre zu klären, welche Heizlast sich nach den Energiesparmaßnahmen eingestellt hat. Dies lässt sich überschlägig wie folgt ausrechnen:

1. Der Niedertemperaturkessel mit gleitender Temperaturreglung besitzt einen heiztechnischen Wirkungsgrad von ca. 0,85
2. Der Kessel produziert also etwa 9350 kWh Nettowärme
3. Der Energieaufwand für Warmwasser beträgt: 2 Personen x 30 Liter x 1,16 x 30 Grad = 2 kWh pro Tag; x 365 Tage = 762 kWh
4. Für Raumwärme verbleiben 8588 kWh
5. Bei angenommenen Vollbenutzungstunden von 1600 bis 1800 ergibt sich eine Heizlast von 8588 kWh / 1800h= 4,7 KW bzw. 8588/1600 = 5,4 kW

Es wurde eine Wärmepumpe mit einer Leistung von ca. 6kW angefragt.

Überschlägige Berechnung der Kosten

• Die Kosten für Erdgas werden mit 9 Cent/kWh angenommen. Daraus ergeben sich Brennstoffkosten von 11000 kWh x 0,09 €/kWh = 990 € /a
• Die Betriebskosten entstehen bei einer Jahresarbeitsarbeitszahl von 3 (1 kWh Strom erzeugt 3 kWh Wärme, mittlerer Wert verschiedener Feldversuche).
• Für die Wärmepumpe ergibt sich bei einer Jahresarbeitszahl von 3 ein Strombedarf zu 9350 kWh/ 3 = 3116 kWh Strom. Bei einem Preis von 0,26 Cent/kWh ergeben sich 810 € /a
• Bei einer voraussichtlichen Lebensdauer der Pumpe von 25 Jahren ergeben sich Kapitalkosten (statische Amortisation, ohne Kapitalverzinsung) von 32000 € /25 Jahre = 1280 €/a.
• Die durchschnittlichen Wartungskosten belaufen sich laut Bosch auf etwa 300 € im Jahr. Mir erscheint dies zu hoch, ich schätze sie auf 200 €.

Die Jahreskosten der neuen Anlage mit Wärmepumpe liegen inklusive Kapitalkosten bei 1280 € + 200 € + 810 € = 2290 €

Es zeigt sich heute prinzipiell, dass nach Energiesparmaßnahmen der Anteil der Anlagen-Kosten für Heizung und Warmwasserbereitung steigt. Für die Höhe der Investition in die Heizungsanlage spielt der verringerte Wärmebedarf so gut wie keine Rolle. Unterschiedliche Anlagen- bzw. Kesselleistungen und das sonstige Drumherum wirken sich kaum auf den Kaufpreis aus. Und auf der Suche nach Alternativen (Wärmepumpe, Brennstoffzelle, Pelletheizung, etc.) werden Anlagenpreise aufgerufen, die meist viel höher liegen als die Preise für einen einfache Modernisierung, z.B. eines Gas-Kessels. Es liegt also im Interesse des Eigentümers, den kleiner werdenden Bedarf an Elektroenergie oder Brennstoffen durch ebenfalls geringer werdende Gesamtkosten zu decken. Warum sollte man auch den immer kleiner werdenden Bedarf an Heizwärme mit stetig zunehmenden Gesamtkosten decken müssen?

Das ist mit Wärmepumpenanlagen nur möglich, wenn die Stromkosten im Verhältnis zu den Gaskosten deutlich sinken. Ebenso müssten die Investitionskosten sinken, wenn die Investitionsbereitschaft nicht viel Jahre lang nur durch eine hohe staatliche Förderung aufrechterhalten werden kann. Das gilt auch für den Aufwand im baulichen Bereich, der, würde er nur aus Energiespargründen getätigt, oftmals nicht wirtschaftlich wäre.

#Mein Fazit

• Fast jede Bestandsanlage mit Plattenheizkörpern oder Radiatoren kann auf Luft-Wasser-Wärmepumpe umgerüstet werden.
• Heizkörper sind kein Problem, sie sind oft größer dimensioniert bzw. durch energetische Sanierung „größer gemacht“ worden
• Einrohrheizungen sind nicht optimal geeignet
• Hydraulischen Abgleich durchführen (lassen)
• Pufferspeicher einbauen, auch um möglichst viel Strom aus PV-Anlagen selbst zu nutzen
• Alles gut dämmen!
• Wirtschaftlich ist eine Modernisierung mit Luft-Wasser-Wärmepumpe nur, wenn die Investitionskosten zurückgehen, üppig gefördert wird und/oder die Strompreise sinken.