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Architektenhaus – Wärmepumpen gewinnen Energie aus der Luft, Wasser oder Erdwärme

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Die Preise für Gas und Öl sind in den vergangenen Jahren stetig gestiegen. Grund genug, sich nach alternativen Heizungs- und Energie-Konzepten umzusehen. Ein unerschöpfliches Energiereservoir findet jeder Hausbesitzer in seiner direkten Umgebung: die natürliche Wärme der Erde und der Luft. Man muss diese Energiequelle nur anzapfen. Dafür braucht man eine Wärmepumpe. Diese Heiztechnik ist zwar beim Einbau vergleichsweise teuer, allerdings bekommt man auch Zuschüsse vom Staat. Und im laufenden Betrieb ist eine gute Wärmepumpen-Heizung unschlagbar günstig. Öl, Gas und sogar Pellets können da nicht mithalten.

Was man bei Wärmepumpen beachten sollte.
In nur einigen Metern Tiefe ist der Boden immer warm. Diese Gratis-Wärme lässt sich mit einer geeigneten Anlage anzapfen. Und auch die Luft kann Heizenergie liefern. Der Markt entwickelt sich positiv. Bei den Neubauten hätten Wärmepumpen einen Marktanteil von rund 30 Prozent, Tendenz steigend. Als Zentralheizungen sind sie vor allem in Ein- und Zweifamilienhäusern im Einsatz.

So funktioniert eine Wärmepumpe
Und so funktioniert die Technik: Kältemittel wird in Rohren durch den Boden, in das Grundwasser oder ins Freie geleitet. Es entsteht dabei ein Kreislauf, in dem das Kältemittel zunächst die Wärme der Umgebung aufnimmt. Da das Mittel schon bei niedrigen Temperaturen verdampft, entsteht Gas, welches dann verdichtet wird. Dabei entsteht Wärme, die zum Heizen des Hauses verwendet wird. Anschließend wird das Gas wieder entspannt, kühlt weiter ab und kann dann erneut die Umgebungswärme aufnehmen. Das Prinzip ist dem eines Kühlschranks ähnlich – nur umgekehrt. Einige Modelle können auch im Sommer das Haus kühlen und die Klimaanlage ersetzen.

Allerdings wird zum Betreiben der Wärmepumpe Strom benötigt. Um 100 Prozent Wärme für die Beheizung eines Gebäudes gewinnen zu können, benötigt die Wärmepumpe lediglich zwischen 25 und 35 Prozent Strom als Antriebsenergie. Die restlichen 65 % bis 75 % seien Umweltwärme.

Dieser Kennwert ist bei Wärmepumpen entscheidend
Es liegt auf der Hand, dass der Anteil an Strom, den Wärmepumpen zum Arbeiten brauchen, möglichst klein sein sollte. Das Verhältnis wird mit der Jahresarbeitszahl beschrieben. Liegt die Zahl über 3,3, seien Wärmepumpen ökologisch sinnvoll, erklärt Kersten. Moderne Wärmepumpen erreichen Jahresarbeitszahlen von mehr als 4. Das heißt: Die von der Pumpe erzeugte Wärme wird nur zu einem Viertel oder weniger mit Strom produziert. Die Umweltbilanz verbessere sich, wenn Solarstrom von einer Photovoltaikanlage auf dem Dach zum Betreiben der Wärmepumpe verwendet wird, sagt Kersten. Deshalb ist bei einem ÖKO-ARCHITEKTENHAUS serienmäßig immer mit einer großen Solaranlage möglichst auf dem Dach ausgestattet.

Ein Vorteil von Wärmepumpen ist, dass die Technik wenig Platz benötigt. Da keine Brennstoffe gelagert werden müssen, spart man sich den Öltank oder den Vorratsraum für Pellets. Auch ein Schornstein oder ein Gasanschluss werden nicht benötigt. Wer neu baut, kann hier Geld sparen. Zudem brauchen Wärmepumpen kaum Wartung. Trotzdem wird jedes ÖKO-ARCHITEKTENHAUS grundsätzlich mit einem zweizügigen Kamin gebaut, damit für alle Fälle (z.B. bei Stromausfall, Umweltkatastrophen etc.) Wärme im Haus erzeugt werden kann.

Für wen lohnt sich eine Wärmepumpe?
Gut geeignet sind Wärmepumpen für Gebäude mit einem Heizleistungsbedarf unter zehn Kilowatt. Diesen Bedarf haben beispielsweise Neubauten, die nach den Vorgaben der Energieeinsparverordnung entstehen und eine entsprechend gute Dämmung haben. Deshalb wird jedes ÖKO-ARCHITEKTENHAUS serienmäßig mindestens als KfW 55 oder KfW 70 Niedrigenergiehaus erstellt. Im Vorteil sind Häuser mit einer Fußbodenheizung. Denn sie benötigt niedrigere Vorlauftemperaturen als Radiatoren. Und das spart Strom. Deshalb statten wir jedes ÖKO-ARCHITEKTENHAUS serienmäßig mit einer neuen, innovativen Keramik-Fußbodenheizung aus.

Selbst für ältere Gebäude taugt das Heizungsmodell – auch weil der Platzbedarf im Haus gering ist. Hier könne beispielsweise eine Luft-Wärmepumpe eine vergleichsweise teure Nachtspeicherheizung ersetzen. Die Stromkosten sind für Besitzer von Wärmepumpen auch geringer als für den normalen Hausgebrauch, denn viele Anbieter haben spezielle Tarife.

Luft, Erdwärme oder Wasser?
Entscheiden können sich Verbraucher zwischen drei Varianten: Die Pumpen erwärmen das Wasser der Zentralheizung entweder mit Luft, Erdwärme oder Grundwasser. Letztere gelten als besonders effizient.

Erdwärme in Verbindung mit einer Grundwasser / Solebohrung und der Möglichkeit zentral auch alle Räume zu klimatisieren ist eine Lösung mit einem hohen Synergieeffekt und ökologischer und gesünder als Klima-Splitt-Geräte. Sollte eine Geo-Erdwärme-Bohrung in das Grundwasser nicht möglich sein, dann übernimmt als Alternative diese Funktion zum Beispiel das Gas-Blockheizkraftwerk mit dem Anschluss an die öffentliche Erdgasleitung.

ÖKO-ARCHITEKTENHAUS empfiehlt deshalb als ideale Lösung, unabhängig von den Kosten, die Erdwärmesolebohrung in Verbindung mit einer Photovoltaik-Anlage für den Strom der Wärmepumpe. Das ist dann ein Null-Energiehaus, mit der Bauherr noch Geld verdienen kann.

Wärmepumpen mit Erdsonden schaffen Jahresarbeitszahlen von 3,5 oder höher. Das Kältemittel wird im Rohr tief in den Boden gepumpt, das je nach Region ab einer Tiefe von etwa 1 Meter dauerhaft frostfrei und ab 10 Metern Tiefe konstant 10 Grad hat. Luftwärmepumpen sind einfach zu installieren, energetisch aber nicht so wirkungsvoll wie Erdwärmepumpen. Hier laufen die Rohre ins Freie, und im Winter ist die Außenluft kalt. Zudem könne das Modell, das am Haus installiert wird, laut sein.

So bekommt man Zuschüsse vom Staat
Nachteil der Anlagen sind ihre hohen Anschaffungskosten – auch wenn diese vom Staat bezuschusst werden. Aus dem Marktanreizprogramm der Bundesregierung gibt es für die Anschaffung von erdgekoppelten Anlagen derzeit mindestens 2800 Euro und für Luft-Wärmepumpen mindestens 1300 Euro. Wer einen Pufferspeicher errichtet, erhält zusätzlich 500 Euro. Der Förderantrag geht an das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA).

Das kostet eine Wärmepumpe
Eine Luftwärmepumpe kostet etwa 12.000 bis 15.000 Euro. Da für eine Erdwärmepumpe aufwendig Sonden in der Erde verlegt werden, belaufen sich die Kosten auf 20.000 bis 25.000 Euro. Und diese Investitionen rechnen sich durch die niedrigen Betriebskosten nach circa sieben bis zehn Jahren. Wärmepumpenstrom ist laut Vergleichsportalen ab etwa 18,3 Ct/kWh zu haben. Eine Heizungsanlage, die mittels Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom etwa 3,5 Kilowattstunden Wärme macht, stellt ihre Heizenergie also für umgerechnet 5,2 Ct/kWh bereit. Öl und Gas sind dagegen mit 8,1 bzw. 6,9 Cent je Kilowattstunde deutlich teurer. Sogar eine Pelletheizung ist im laufenden Betrieb teurer. Hier muss man laut Deutschem Energie- und Pellet-Verband mit 5,8 Ct/kWh rechnen. Es ist auch davon auszugehen, dass die Holzpellets in der Anschaffung steigen werden, da das Holz im Wald nicht so schnell nachwachsen kann, wie es verbraucht wird. ÖKO-ARCHITEKTENHAUS installiert deshalb in seinen Architektenhäuser keine Holz-Pellet-Heizung.

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Solares Heizen

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Mit modernen, technisch, hochwertigen Solaranlagen ist der Traum vom solaren Heizen in unseren Breiten Wirklichkeit geworden. Völlig unabhängig von Öl und Gas gewinnt die neue Solarheizung deutlich mehr Energie aus der Sonne als alle andere kombinierte Solarsysteme und das sogar rund um die Uhr.
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Ihr Vorteile auf einen Blick:
– Unabhängigkeit von Öl und Gas durch Kombination mit einer Wärmepumpe
– Eisheizung: geringer Platzbedarf durch kompaktes System
– Flexibilität und spätere Erweiterbarkeit
– Hohe CO2 – Einsparung – Ihr starker Beitrag zum Klimaschutz
– Wärmegewinnung ganzjährig mit dem Turbo im Sonnenkollektor
– Gute Wirtschaftlichkeit und geringe Verbrauchkosten

Mit der Sonne heizen
Mit dem technischen Fortschritt solarer Kombianlagen, die zusätzlich zum Warmwasser Wärme für die Heizung liefern, wächst die Bedeutung des solaren Heizens. Die auf dem Markt angebotenen unterschiedlichen Anlagenkonzepte unterscheiden sich kaum in ihrer Leistungsfähigkeit. Bei den Preisen der einzelnen Herstellerangebote lohnt sich allerdings ein genauer Blick.

Bei den staatlichen, öffentlichen Förderungen zahlt die Bundesregierung für Sonnenkollektoren zur Heizungsunterstützung 135 Euro pro Quadratmeter (aktuelle Werte bitte Anfragen, weil diese teilweise jährlich neu angepasst werden). Außerdem gibt es für solare Heizungsmodernisierungen zinsgünstige Darlehen im CO2-Gebäudesanierungsprogramm der bundeseigenen KfW-Kreditanstalt für Wiederaufbau.

Grundsätzlich lassen sich vier Konzepte für Kombisysteme unterscheiden.

1. Mit Zweispeicheranlagen hat die Geschichte des solaren Heizens begonnen. Dabei hat man den Warmwasserspeicher einfach mit einem Pufferspeicher für die Heizung ergänzt. Dafür genügen einfach konstruierte Speicher. Allerdings erhöhen sich die Wärmeverluste durch den zusätzlichen Speicher sowie der Aufwand, die Speicher miteinander zu verschalten.

2. Kompakter aufgebaut sind Einspeicheranlagen. Wie der Name sagt, liefert bei diesem System ein Speicher gleichzeitig Warmwasser und Wärme für die Heizung.

3. Kombispeicher wurden entwickelt, um beide Funktionen in einem Bauteil zu vereinen. Inzwischen gibt es sogar Kombispeicher mit integriertem Brenner. Sie sparen Platz im Heizungskeller und verringern den Montageaufwand. Nachteilig ist allerdings, dass sich die Speicherbereiche für die Warmwasserbereitung und den Heizungspuffer nicht getrennt nachheizen lassen.

4. Kombianlagen mit Rücklaufanhebung verzichten auf ein Puffervolumen im Speicher. Er besitzt nur ein Bereitschaftsvolumen, um das Trinkwasser / Brauchwasser zu erwärmen. Der angeschlossene Heizkessel liefert seine Wärme direkt an die Heizung. Das direkte Nachheizen und der fehlende Heizungspufferbereich sparen wegen der geringeren Wärmeverluste Energie ein. Ist die Wassertemperatur im Speicher höher als die Rücklauftemperatur im Heizkreislauf, kommt die Solaranlage zum Zuge. Das Rücklaufwasser wird durch den Speicher geleitet, dort erwärmt und erst anschließend dem Heizkessel zugeführt. Dieser muss nun weniger zuheizen. Ist die Differenz zwischen der angehobenen Rücklauf- und der Soll-Vorlauftemperatur jedoch zu gering, beginnen sogar ihre Leistung modulierende Brenner zu takten. Kaum dass er begonnen hat zu heizen, muss er schon wieder stoppen, weil die Solltemperatur schnell erreicht ist. Folge dieses Stop-and-go ist ein höherer Ausstoß von Schadstoffen.

Doch so sehr sich die Konzepte in ihrem Aufbau und ihren Komponenten unterscheiden, ähneln sie sich doch, wenn es um ihre Leistungsfähigkeit geht.
Das haben Wissenschaftler des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart bei ihren Untersuchungen herausgefunden, die das Bine-Info dokumentiert. Dazu haben sie die Systeme für ein nach der Wärmeschutzverordnung von 1995 gedämmtes Einfamilienhaus in Würzburg simuliert. Mit zehn Quadratmeter Kollektorfläche haben alle vier Systeme etwa 20 Prozent der konventionellen Heizenergie eingespart. Die Abweichungen lagen lediglich bei 0,5 Prozent.

Wichtiger ist deshalb, dass die Kombianlage aus einer Hand kommt oder ihre Komponenten zumindest aufeinander abgestimmt sind. Entscheidend für ein gutes Kombisystem ist nicht das Anlagenkonzept, sondern die richtige Auslegung und die Qualität der eingesetzten Komponenten. Bei der Entscheidung für ein bestimmtes Anlagenkonzept kommt es immer auf die Verhältnisse vor Ort an.

Dient beispielsweise ein Holzkessel als zusätzliche Heizquelle, muss ein Pufferspeicher vorhanden sein. Kann der Heizkessel seine Leistung nicht modulieren, macht eine Rücklaufanhebung keinen Sinn.

Entscheidend ist auch der Preis der Kombianlagen. Wie groß die Unterschiede je nach Hersteller sind, zeigt der kürzlich von der Stiftung Warentest erschienene Vergleich von elf auf dem Markt angebotenen Systemen. Zahlt man für das günstigste Angebot 7.310 Euro ohne Montage, muss man für das teuerste mit 22.660 Euro schon dreimal so viel auf den Tisch legen.

Mit Kollektorflächen zwischen sieben und 16 Quadratmetern sparen die vom ITW getesteten Systeme dafür jährlich zwischen 18 und 29 Prozent des Heizenergiebedarfs ein. Für die Leistungsfähigkeit und die technische Reife der Kombianlagen sprechen die Qualitätsurteile der Stiftung Warentest: Sie vergab zweimal die Note sehr gut, achtmal bewertete sie die geprüften Anlagen mit der Note gut. Nur ein Anbieter musste sich mit einem befriedigenden Urteil zufrieden geben.

Erfolg mit Kollektordächern – möglichst große Kollektorflächen für möglichst viel Solarertrag.
Einige Unternehmen installieren die größtmöglich dimensionierte Anlage, die sich mit dem Budget des Kunden verträgt. Warmwasseranlagen werden regelrecht abgelehnt, denn jede dieser Anlagen verhindert eine größere Solaranlage für die Heizungsunterstützung auf Jahre hinaus. Dabei gilt: „Sonnenenergie nur fürs Duschwasser rentiert sich kaum.“ Stattdessen werden auf Einfamilienhäusern möglichst großflächige Kollektorfelder als Solardach montier.

Mehr Kollektorfläche fürs Geld
Der Warentest-Vergleich ist zwar ganz nett, aber halbherzig. Die getesteten Anlagen sind wegen der hohen Stückkosten der Sonnenkollektoren zu teuer. Eine Anlage nach Großflächenkonzept haben zu einem vergleichbaren Preis von 12.000 Euro mit 20 Quadratmetern erheblich mehr Kollektorfläche zu bieten und können damit mehr Gas oder Öl einsparen. Zudem gibt es mehr Fördermittel, da diese nach der Kollektorfläche bemessen sind. Kombispeicher können auch wegen deren „störanfälligen Einbauteile“ kritisch betrachtet werden. Stattdessen setzen Solaringenieure auf einfache Speicher, die über ein Drei-Wege-Ventil in zwei Höhen beladen werden.

Doch was passiert mit der im Sommer nicht benötigten, dafür im Überschuss von den großen Kollektorflächen gelieferten Solarwärme? „Die Wärme bleibt einfach im Dach.“ Bei Speichertemperaturen um die 90 Grad Celsius stellt sich ein thermodynamisches Gleichgewicht ein. Die Wärmeverluste sind dann genauso hoch wie der Solargewinn der Sonnenkollektoren.

Den Kunden geht es heute nicht mehr in jedem Fall um die Amortisation. Sie wollen das Lebensgefühl haben, bei der Sonne aus dem Vollen schöpfen zu können.

Sonnige Aussichten
Rund ein Drittel der jährlichen Heizkosten lassen sich durch eine thermische Solaranlage einsparen. Das hat ein Test der Stiftung Warentest bestätigt (test 3/2009). Die Anlage mit dem höchsten Deckungsgrad ist 14 Quadratmeter groß und kostet komplett rund 10.000 Euro. Die Energieernte von 500 Kilowattstunden je Quadratmeter summiert sich für die Anlage auf 7.000 Kilowattstunden jährlich, das entspricht dem Energiegehalt von 700 Litern Heizöl.

Die Vakuumröhrenkollektoren im Test waren zwar spürbar teurer (bis 15.000 Euro), erzielten aber nur einen Mehrertrag von 25 Prozent. Jedoch kommen sie mit einer geringeren Dachfläche aus und eigenen sich deshalb besonders für Dächer, auf denen wenig Platz zur Verfügung steht. Wer es günstiger haben will, für den bietet sich die Sunset Anlage an, die zehn Quadratmeter groß ist und nur 6.000 Euro kostet. Immerhin spart man mit diesem Modell, das die Note „gut“ erhielt, 22 Prozent Heizkosten.

Größere PV-Anlagen sind deutlich günstiger
Lediglich ein „befriedigend“ erhielt die 15.600 Euro teure Consolar-Anlage mit Vakuumröhrenkollektoren. Der Pufferspeicher ist meist 800 bis 1.000 Liter groß und im Preis enthalten. Beim Neubau spart man also die Kosten für einen Warmwasserspeicher. Die Montagekosten sind im Preis nicht enthalten. Im Sommer kann man den Heizkessel in den Sommerschlaf schicken, die Solaranlage übernimmt die komplette Warmwasserbereitung.

Im Modellhaus errechnete die Stiftung Warentest Brennstoffeinsparungen von bis zu 8.500 Euro über 25 Jahre, ohne dass dabei bereits künftige Energiepreissteigerungen berücksichtigt wurden. Für die Wirtschaftlichkeit spielt die staatliche Förderung eine Rolle und auch die kräftigen Rabatte, die sich durch geschicktes Verhandeln mit dem Installateur erzielen ließen. Unter dem Strich bewegen sich die großen Solaranlagen je nach konkreten Randbedingungen durchaus schon im Bereich der Wirtschaftlichkeit. Jeder Neubau sollte mit Solaranlage geplant und gebaut werden, zumal die Installationskosten in einem Neubau vergleichsweise gering sind.

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