Wärmepumpe im Altbau: sinnvoll oder nicht?
Wärmepumpen spielen eine wichtige Rolle bei der Energiewende. Doch funktionieren Sie auch im Altbau? Und wenn ja, sind zuvor umfangreiche Sanierungsmaßnahmen notwendig? Und wie sieht es bei Mehrfamilienhäusern im Bestand aus? Hier kommen Antworten.
Wärmepumpe im Altbau - ist das sinnvoll oder nicht?
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Wärmepumpen spielen eine wichtige Rolle bei dem Ziel, unsere Gebäude in 20, 30 Jahren vollständig mit CO2-freier Wärme zu versorgen. Dabei müssen wir früher oder später auch an die Altbauten ran. Allerdings hält sich nach wie vor hält hartnäckig das Vorurteil, dass sich Wärmepumpen nur bei Neubauten rentieren. Doch ist das wirklich so? Antworten finden sich in der Wärmepumpen-Forschung des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme.
Das Fraunhofer-ISE hat in den vergangenen 20 Jahren rund 300 Wärmepumpenanlagen im Feld messtechnisch untersucht und analysiert. Da waren Anlagen in Neubauten, aber auch welche in Altbauten mit dem unterschiedlichsten Sanierungsgrad dabei. Die Ergebnisse möchten wir Ihnen in diesem Beitrag vorstellen. Das Fraunhofer-ISE hat sich zudem in einem weiteren Projekt mit Mehrfamilienhäusern im Bestand beschäftigt. Die Ergebnisse dieser Forschungen erfahren Sie ebenfalls bei uns.
Grundüberlegung bei Wärmepumpen in Bestandsbauten
Generell gilt es lediglich zwei Fragen zu beantworten, ob sich eine Wärmepumpe im Altbau lohnt:
- Ist es technisch möglich? Schafft die Wärmepumpe die notwendigen Vorlauftemperaturen?
- Ist es aus ökologischer und ökonomischer Sicht sinnvoll?
Das Fraunhofer-ISE beantwortet beide Fragen mit ja, eine Wärmepumpe im Altbau ist auf jeden Fall sinnvoll. In manchen Fällen ist die Herausforderung größer als in anderen Fällen, eine passende technische Lösung zu finden. Aber machbar ist es in den allermeisten Fällen. Selbst wenn der Altbau schlechte energetische Werte vorzuweisen hat und es erst einmal auch noch gar nicht geplant ist, daran etwas zu ändern.
Wer heute vor der Frage steht: noch einmal eine Gasheizung oder schon eine Wärmepumpe, kann sich guten Gewissens bereits für die zweite Variante entscheiden. Sie ist zwar etwas teurer in der Anschaffung, spart aber jeden Monat jede Menge Heizkosten. Und selbst beim derzeitigen Strommix mit etwa 50 Prozent Strom aus erneuerbaren Energien arbeitet die Wärmepumpe bereits ökologischer als eine Gasheizung. In der Zukunft wird sich das noch weiter verbessern.
In den folgenden Abschnitten wollen wir uns mit wichtigen Fragen beschäftigen, die bei der Wahl einer Wärmepumpe für den Altbau immer wieder gestellt werden. Anfangen wollen wir mit der Frage, ob diese Technik auch bei hohen Vorlauftemperaturen und mit Heizkörpern alter Bauweise funktioniert. Häufig heißt es nämlich, dass es für Wärmepumpen große Heizflächen und niedrige Betriebstemperaturen benötigt – wie sie zum Beispiel Fußbodenheizungen bieten.
Liefern Wärmepumpen ausreichend hohe Heizkreistemperaturen?
In Altbauten arbeiten oft noch Heizsysteme mit einer Vorlauftemperatur von 60 Grad Celsius oder 70 Grad Celsius. Ist das technisch überhaupt möglich mit Wärmepumpen? Auf jeden Fall, wobei es auch auf die Art des Kältemittels oder des Kompressors ankommt. Standard-Wärmepumpen schaffen jedoch ohne Probleme Vorlauftemperaturen von 55 bis 60 Grad Celsius. Es gibt aber auf dem Markt auch Hochleistungswärmepumpen, die 65 bis 70 Grad Celsius erzielen. Hier sind insbesondere Wärmepumpen mit dem Kältemittel Propan zu nennen.
Selbst an sehr kalten Tagen, sind die Wärmepumpen in der Lage, angenehme Temperaturen zu liefern, haben die Messungen des Fraunhofer-ISE ergeben. Oft funktionieren die Anlagen dann sogar ohne zusätzliche Nutzung von Heizstäben, mit denen direkt mit Strom geheizt werden kann. Dabei arbeiten die Wärmepumpen nach wie vor mit einer guten Effizienz. Sie sind zwar im Vergleich zu wärmeren Tagen nicht ganz so effizient, bleibt aber nach wie vor im grünen Bereich. Heißt: Selbst bei widrigsten Temperaturen lohnen sich Wärmepumpen im Vergleich zu Gasheizungen.
Das Fraunhofer-ISE hat es in den ersten beiden Februarwochen 2021 gemessen. Damals war es im Schnitt -3,6 Grad Celsius warm bzw. kalt. In den vergangenen 50 Jahren gab es nur 5 Monate mit mittleren Temperaturen unter diesem Wert. In dieser Zeit lag die mittlere Effizienz der Wärmepumpen im Altbau bei 2,3. Das bedeutet, dass selbst bei dieser kalten Witterung aus jeder Kilowattstunde Strom mehr als doppelt so viel Wärme aus der Umgebungsluft gewonnen werden konnte.
Erst sanieren, dann Wärmepumpe oder geht es auch umgekehrt?
Diese Frage haben wir an anderer Stelle bereits beantwortet: Sie können auch erst die Wärmepumpe installieren und später das Haus energetisch sanieren, falls nötig. Generell ist es jedoch hilfreich, wenn es wenig Energie benötigt, um einen Raum auf Temperatur zu bringen. Aber das gilt für alle Heizsysteme, nicht nur bei Wärmepumpen.
Wie im Kapitel zuvor gelernt, können Wärmepumpen auch mit höheren Vorlauftemperaturen betrieben werden. Da viele der alten Gas- oder Ölheizungen jedoch überdimensioniert sind, kann bei einem Wechsel zur Wärmepumpe die Vorlauftemperatur häufig gesenkt werden. Eventuell kann es hilfreich sein, einzelne Heizkörper auszutauschen. Moderne Radiotoren können die gleiche Wärmemenge mit deutlich geringeren Heizkreislauftemperaturen übertragen. Auch der Austausch der Fenster kann die Effizienz der Wärmepumpe steigern.
Nun stellt sich die Frage, ob eine Wärmepumpe dann plötzlich überdimensioniert ist, wenn sie zunächst in ein unsaniertes Gebäude eingebaut wird, das anschließend nach und nach energetisch aufgerüstet wird. Auch hier gibt das Fraunhofer-ISE Entwarnung. Aus technischer Sicht können Wärmepumpen recht flexibel auf die verschiedensten Anforderungen reagieren. Viele der modernen Wärmepumpen sind zudem mit der Inverter-Technologie ausgestattet, die eine Leistungsregelung ganz einfach macht.
Einfacher Test sorgt für Klarheit
Wärmepumpen liefern bei niedrigen Vorlauftemperaturen zwischen 35 und 55 Grad Celsius die besten Ergebnisse. Wenn Sie daher überlegen (oder auch gezwungen sind dank des neuen Gebäudeenergiegesetzes), Ihren Altbau mit einer Wärmepumpe auszustatten, sollten Sie erst einmal testen, mit welcher Vorlauftemperatur Ihre bestehende Heizungsanlage zurechtkommt.
Stellen Sie dafür an kalten Wintertagen mit Frost die Vorlauftemperatur Ihrer Heizung auf 55 Grad Celsius und beobachten Sie, ob dennoch Ihre Wohlfühltemperatur erreicht wird. Können Sie diese Frage bejahen, sollte eine Umrüstung auf Wärmepumpe problemlos möglich sind. Werden die Räume nicht ausreichend warm, sind wahrscheinliche vorher noch andere Maßnahmen wie Einbau neuer Fenster, eine Fassadendämmung oder der Einbau größerer Heizkörper notwendig.
Wie gut funktionieren Wärmepumpen in Altbauten?
Auch dazu hat das Fraunhofer-ISE umfangreiche Feldforschungen betrieben – und zwar sowohl bei Außenluft- als auch bei Erdreich-Wärmepumpen. Generell lässt sich sagen, dass die Erdreich-Anlagen effizienter arbeiten, sie haben im Mittel eine Effizienz von 4,1. Bei Außenluft-Wärmepumpen liegt der Mittelwert hingegen bei 3,1. Das liegt insbesondere daran, dass Luft-Wasser-Wärmepumpen häufig mit kälteren Temperaturen arbeiten müssen als sie im Erdreich vorkommen.
Generell lässt sich sagen, dass die Effizienz von Wärmepumpen mit sinkende Vorlauftemperaturen ansteigt. Daraus ergibt sich, dass Heizungsanlagen mit Fußbodenheizungen tendenziell höhere Effizienzwerte besitzen als Systeme, die höhere Vorlauftemperaturen besitzen. Das heißt aber im Umkehrschluss nicht, dass Wärmepumpen sich nicht effizient mit Heizkörpern betreiben lassen.
Die Messungen haben ergeben, dass die Heizkreistemperaturen nicht immer ausschlaggebend für die Effizienz der Anlagen ist. Auch mit hohen Vorlauftemperaturen lassen sich hohe Effizienzwerte erzielen. Vieles hängt hier auch von der Planung, Installation und Einstellung der Wärmepumpe ab. Hilfreich ist es auf jeden Fall, wenn sich der Installateur mit den Tücken des Altbaus auskennt. Generell bewertet das Fraunhofer-ISE die derzeitigen Effizienzmittelwerte für Wärmpumpen im Altbau bereits als gut. Durch verbesserte Modelle und weitere Innovationen ist jedoch auch noch Luft nach oben.
Wärmepumpen lassen sich häufig auch effizient in größeren Häusern betreiben.
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Zwei Beispiele aus der Praxis
In energetisch sanierten Altbauten zu schauen, ob Wärmepumpen effizient arbeiten, ist einfach: Die Ergebnisse sind ähnlich gut wie bei Neubauten. Anders sieht es bei unsanierten Gebäuden aus, können da Wärmepumpen immer noch einen Beitrag zur Energieeinsparung leisten? Das Fraunhofer-ISE hat zwei dieser Exemplare genauer durchleuchtet und kommt zu überraschenden Ergebnissen:
Die beiden untersuchten Häuser sind 84 und 48 Jahre alt, sind somit eindeutig Altbauten. Das ältere von beiden war in einem energetisch sehr schlechten Zustand, kaum saniert. Der Heizenergieverbrauch lag bei sehr hohen 210 kWh/(m²a). Zum Zeitpunkt des Einbaus der Außenluftwärmepumpe wurden auch die Heizkörper getauscht.
Mit den eingebauten Gebläsekonvektoren lassen sich die Vorlauftemperaturen deutlich reduzieren. Es zeigte sich, dass die Wärmepumpe trotz des hohen Heizwärmebedarfs eine gute Effizienz von 3,0 erreicht. Der Heizstab musste kaum zugeschaltet werden, er machte unter ein Prozent des Energiebedarfs aus.
In dem zweiten, 48 Jahre alten Haus wurde eine Erdreichwärmepumpe verbaut. Das Gebäude war in einem besseren energetischen Zustand als das erste, hatte einen Heizenergieverbrauch von etwa 100 kWh/(m²a). Hier erreichte das System eine Effizienz von 3,7 und das bei einer Vorlauftemperatur von 45 Grad Celsius und den gleichen Plattenheizkörpern, die bereits zuvor bei der Ölheizung genutzt wurden.
Wie sieht es mit der Effizienz des Heizstabs als Zusatzheizung aus?
Oft sind Heizungssysteme mit Wärmepumpe zusätzlich mit einem Heizstab ausgestattet. Diese sind in der Lage, alleine oder parallel zum Wärmepumpen-Betrieb Wärme aus elektrischem Strom bereitzustellen. Das passiert in der Regel dann, wenn es draußen besonders kalt ist und wird gemacht, um die Größe und Leistung von Außenluft-Wärmepumpen zu begrenzen. Nun haben wir gelernt, dass Heizen mit Strom recht teuer und ineffizient ist. Wie sieht das bei den Heizstäben von Wärmepumpen aus?
Klar ist, dass der Heizstab eine Einheit Strom in eine Einheit Wärme verwandet. Eine Wärmepumpe hingegen kann eine Einheit Strom und drei oder vier Einheiten Wärme verwandeln. Die Effizienz von Heizstäben ist demnach wesentlich geringer. Kommen sie häufig zum Einsatz, ist das schlecht für Ökologie und Ökonomie. Sie werden es auf jeden Fall deutlich in Ihrem Portemonnaie merken.
In der Praxis sieht es jedoch so aus, dass die Heizstäbe sehr viel seltener zum Einsatz kommen, als man annehmen könnte. Die Messungen der Fraunhofer-ISE haben ergeben, dass der Anteil der von den Heizstäben benötigten Energie bei Luft-Wasser-Wärmepumpen im Mittel nur bei 2,8 Prozent, bei Erdreichwärmepumpen sogar nur bei 1,2 Prozent lag. In vielen Fällen mussten die Heizstäbe überhaupt nicht für die Wärmeproduktion verwendet werden. Selbst bei großer Kälte nicht.
Ökologie und Ökonomie von Wärmepumpen in Bestandsbauten?
Damit sich Wärmepumpen flächendeckend in Deutschland durchsetzen, muss neben dem ökologischen Vorteil auch die ökonomische Komponente stimmen. Nur wenn es sich für den Hausbesitzer finanziell lohnt, wird er bereits sein, in die Technik zu investieren. Dabei sind neben den Investitionskosten auch die Betriebskosten zu betrachten.
Berechnungen und Beobachtungen des Fraunhofer-ISE haben ergeben, dass sich aus ökologischer Sicht eine Wärmepumpe in Kombination mit erneuerbaren Energien eigentlich immer lohnt. Anhand der untersuchten Altbauten mit Wärmepumpe konnten sie nachweisen, dass selbst Luftwärmepumpen mit dem schlechtesten Jahresergebnis und einer Effizienz von 2,5 eine CO2-Ersparnis von 33 Prozent gegenüber Gasheizungen hatten. Insgesamt sparen sie bereits jetzt die Hälfte des Treibhausgases ein.
Die Betrachtung der ökonomischen Sicht ist nicht so einfach, hier spielt es eine wesentliche Rolle, dass die Energiepreise derzeit Karussell fahren und keiner wirklich weiß, wie es letztlich ausgeht. Klar ist lediglich, dass die Investitionskosten bei Wärmepumpen höher als bei vergleichbaren Gas- oder Ölheizungen sind. Das kann sich ändern, sobald mehr Wärmepumpen-Systeme verkauft werden.
Was die Betriebskosten angeht, ist es mehr oder weniger ein Stochern im Nebel. So sind die vom Fraunhofer-ISE berechneten Kosten für Heizen mit Wärmepumpe oder Gas längst überholt. Wir möchten daher an dieser Stelle nicht darauf eingehen. Es steht aber zu vermuten, dass Heizen mit Gas in Zukunft zunehmend teurer als das Heizen mit Wärmepumpe. Bei den derzeitigen Gaspreisen ist es auf jeden Fall so, dass Wärmepumpen günstiger als Gasheizungen betrieben werden können – ganz gleich, wie effizient die Systeme arbeiten.
Die Zahlen und Forschungsergebnisse des Fraunhofer-ISE, die wir für diesen Beitrag verwenden, stammen aus einer interessanten Blogreihe von Dr. Marek Miara über Wärmepumpen im Bestand. Dort finden Sie noch wesentlich mehr Informationen zu diesem Thema. Interessant auch das Gespräch, das der Wissenschaftler des Fraunhofer-ISE mit dem Youtube-Kanal „erneuerbare tv“ über Wärmepumpen im Altbau geführt hat.
Wärmepumpe im Altbau: ab wann sollte man dämmen?
Moderne Wärmepumpen bekommen den Altbau auch warm, wenn er schlecht gedämmt wird. Das ist jedoch äußerst ineffizient und führt zu unnötigen Energiekosten. Dr. Marek Miara empfiehlt daher, dass der Heizwärmeverbrauch einen Wert von 150 Kilowattstunden pro Quadratmeter nicht übersteigen sollte.
Liegt er höher, sollten Sie unbedingt über Dämmmaßnahmen wie eine Fassaden- oder Dachdämmung nachdenken. Wir das Dachgeschoss nicht bewohnt, reicht eine Dämmung der obersten Geschossdecke aus. Auch die Kellerdecke sollten Sie dämmen, damit die Kälte nicht durch den Keller kommen bzw. die Wärme nicht durch den Keller entfleucht.
Übrigens: Heizen Sie aktuell noch mit Gas oder Öl, können Sie mit einem einfachen Trick ausprobieren, ob Ihre unsanierte Wohnung mit einer Wärmepumpe beheizt werden kann: Senken Sie hierfür die Betriebstemperatur an einem kalten Wintertag so weit wie möglich ab und schauen Sie, ob die Räume dennoch ausreichend warm werden. Erreichen Sie eine Vorlauftemperatur von 55 Grad Celsius oder weniger, können Sie Ihre alte Öl- oder Gasheizung problemlos austauschen. Falls nicht, sollten Sie sich beraten lassen. Vielleicht reicht es bereits aus, wenn Sie die alten Fenster oder einzelne Heizkörper austauschen.
Wie sieht es bei Mehrfamilienhäusern im Bestand aus?
In Mehrfamilienhäusern sind Wärmepumpen noch wenig verbreitet – zumal, wenn sie bereits einige Jahre auf dem Buckel haben. Das Fraunhofer ISE hat im Verbundprojekt „LowEX im Bestand“ Lösungen für den Einsatz von Wärmepumpen in energetisch sanierten Mehrfamiliengebäuden analysiert, entwickelt und demonstriert. Unterstützung hatte das Institut dabei vom INATECH der Universität Freiburg und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Innovatives Mehrquellen-Wärmepumpsystem
Gemeinsam mit Industriepartnern hat das Forschungsteam in fünf Teilprojekten neue LowEx-Komponenten und -systeme für Mehrfamilienhäuser entwickelt. So zum Beispiel ein Mehrquellen-Wärmepumpsystem, das zusammen mit Viessmann im Projekt „Heaven“ entstanden ist.
In dicht besiedelten Innenstädten stoßen Erdsondenbohrungen oft an räumliche Grenzen, während die Nutzung der Außenluft als Wärmequelle ineffizient und mit erhöhtem Lärm verbunden ist. Das Mehrquellen-Wärmepumpensystem vereint die Vorteile beider Wärmequellen – Außenluft und Erdreich – und erzielt dabei die hohe Effizienz einer herkömmlichen Solewärmepumpe, während der benötigte Bohraufwand reduziert wird.
Weitere neue Technologien wurden erprobt
Im Rahmen weiterer Projekte wurden verschiedene innovative Technologien entwickelt. Dazu gehörten ein Hybridsystem, das eine Wärmepumpe mit einem fossil befeuerten Wärmeerzeuger kombiniert, eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf auf Basis des natürlichen Kältemittels Propan, fassadenintegrierte Lüftungsgeräte und Hochtemperaturwärmepumpen.
Die entwickelten Versorgungstechnologien aus diesen Projekten wurden in drei beispielhaften Sanierungsprojekten eingesetzt. Dabei wurden sie einer detaillierten messtechnischen Begleitung und Bewertung unterzogen, um ihre Effizienz und Leistungsfähigkeit zu analysieren.
Ergebnisse des Projekts
Im ersten Halbjahr des Betriebs erreichte die „HEAVEN“-Mehrquellenhydraulik hohe Quelltemperaturen mit einem durchschnittlichen Wert von 8 Grad Celsius erreichte. Diese Leistung trug zu einer guten Jahresarbeitszahl von 3,2 bei, basierend auf der Auswertung des ersten Halbjahresbetriebs von Februar bis Juli 2022. Es ist erwähnenswert, dass der Spitzenlast-Gaskessel einen Anteil von 31 Prozent an der Wärmebereitstellung hatte, hauptsächlich aufgrund der hohen Temperaturanforderungen für hygienisches Trinkwarmwasser.
Insgesamt führt die Anlage zu einer Einsparung von 42 Prozent an CO2-Äquivalenten im Vergleich zum Beginn des Projekts. Im Vergleich zum undämmten Zustand des Gebäudes aus dem Jahr 1963 bedeutet dies sogar eine Reduktion der CO2-Emissionen um beeindruckende 73 Prozent.
Einschätzung der Experten
Dr.-Ing. Manuel Lämmle, der das Projekt am INATECH betreut schätzt die Ergebnisse des Projekts positiv ein: „Die Demonstratoren haben die Machbarkeit der Sanierung von MFH mit Wärmepumpen und LowEx-Technologien nachgewiesen. Wichtig ist, sich die jeweilige Situation, einschließlich der Übergabesysteme und des Platzes im Heizungskeller, anzuschauen. Bei der Sanierung sollte unbedingt ein hydraulischer Abgleich des Heizungssystems eingeplant werden und geprüft werden, ob mit dem Austausch einzelner Heizkörper die Vorlauftemperaturen weiter abgesenkt werden können.“
Das Team erkennt weiterhin Forschungsbedarf in verschiedenen Bereichen, darunter die Entwicklung von Lösungen für den Ersatz von Gasetagenheizungen, die Hochtemperatur-Bereitstellung und die Trinkwassererwärmung mittels Wärmepumpen. Gleichwohl hat das Projekt durchaus gezeigt, dass Wärmepumpen bei Mehrfamilienhäusern im Bestand möglich sind.
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