Bis zum Jahr 2045 soll die Energieversorgung in Deutschland treibhausgasneutral werden, so auch der Wärmesektor und damit die Versorgung der Bestandsgebäude. Mit dem Wärmeplanungsgesetz und der Novelle des Gebäudeenergiegesetzes sind gesetzliche Grundlagen geschaffen worden, die die Wärmewende in Richtung klimafreundliches Heizen unterstützen. Die Planung und Umsetzung einer gänzlich regenerativen Energieversorgung und damit der Tausch von fossilen Versorgern zu Wärmepumpen in Wohngebäuden stellt in diesem Zusammenhang eine Herausforderung dar. Auch wenn Wärmepumpen, genau wie Heizkessel, Wärme permanent und regelbar bereitstellen können, gibt es zwischen beiden Wärmeerzeugern wesentliche Unterschiede.

Im Vortrag sollen anhand von Umsetzungsbeispielen zunächst die Historie und Hintergründe für den Heizungstausch beleuchtet und dargelegt werden. Über die Konzeptentwicklungen werden dann die vorhandenen Beispiele (Mehrfamilienhäuser) vorgestellt. Die gesammelten Erfahrungen und Erkenntnisse aus der Planung und Umsetzung des Umbaus stellen die häufig auftretenden Bottelnecks dar, wie Konzept zur Raumheizungs- und Trinkwarmwasserbereitung, Ausbau des Stromnetzes und des Stromanschlusses sowie der Aufstellort der Wärmepumpen ist frühzeitig zu betrachten, da Heizzentralen meist nicht groß genug sind, um zusätzliche Speicher und Geräte unterzubringen. An den Umsetzungsbeispielen kann grundlegend gezeigt werden, das die Vorraussetzung für einen Wärmeerzeugertausch gegeben sind, diese aber richtig angewendet und erarbeitet werden müssen. Ein effizienter Wärmepumpeneinbau kann nur in Verbindung mit fachkundigem Personal, einer qualitätsgessicherten Umsetzung und einem effizienzgeprüften Betrieb der Anlagentechnik erzielt werden. Nach der Inbetriebname der Wärmepumpe ist eine Anlagenüberwachung, die Analyse der Betriebsdaten und die Anpassung an neue Randbedingungen (Einregulierungsphase) erforderlich.

Im Gebäudesektor liegt das größte Potenzial zur Senkung der Treibhausgas-Emissionen im Bereich der Bestandswohngebäude. Zusätzlich müssen viele dieser Gebäude vor einer sommerlichen Überhitzung geschützt werden. Ein gemeinsamer Lösungsansatz für beide Problemstellungen wird im Rahmen des Projektes KUEHASystem[1] in einem Feldtestobjekt in Leipzig mit 36 Wohneinheiten erprobt.

Bei diesem Lösungsansatz wird hauptsächlich auf Wärmepumpentechnologien gesetzt, da diese zur Wärme- und Kältebereitstellung genutzt werden können. Synergieeffekte entstehen insbesondere bei Anlagenkonfigurationen in Verbindung mit Erdwärmesonden. Für die verbraucherseitige bzw. raumseitige Energiebereitstellung werden die im Objekt bereits vorhandenen freien Heizflächen sowohl im Heiz- als auch im Kühlfall genutzt.

Zur Validierung der Systemlösung wurde im Feldtestobjekt ein besonders detailliertes Monitoring mit über 400 Datenpunkten und ca. 500.000 Messwerten pro Tag aufgebaut. Erfasst werden neben den Energieströmen der zentralen Wärme- und Kältebereitstellungsanlage und aller Wohneinheiten ebenso alle relevanten Temperaturen zur Bewertung des Anlagenverhaltens und der Raumluftzustände.

Neben der Erprobung und Validierung der Systemlösung liefern die Untersuchungen am Objekt zusätzliche Ergebnisse hinsichtlich des reglungstechnischen Zusammenspiels von bi- bzw. multivalenten Anlagen, Ergebnisse zur besseren Einschätzung der gegenseitigen Beeinflussung von Sondenbohrungen, der Möglichkeit zur Nutzung des Sondenfeldes als Saisonalspeicher sowie abschließend Aussagen zur Regenerationsfähigkeit des Erdreiches.

[1] KUEHASystem – Ganzjährige Gesamtsystemoptimierung zur Reduzierung der CO₂-Emissionen von Bestandheizungsanlagen – Demonstration einer Systemlösung für Heizen und Kühlen

Als zentraler Baustein für die Wärmewende gelten Wärmepumpen, welche Umweltwärme zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden nutzen. Als Wärmequellen dienen meistens Außenluft, Erdreich, oder Grundwasser, wobei die Quelle und das dafür nötige System zur Erschließung die Kosten und Effizienzen im späteren Betrieb bestimmen.

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt entscheidend von der Temperatur der Wärmequelle ab. Die Erdreichtemperatur in direkter Umgebung von Erdwärmesonden ist nicht direkt durch klimatische Temperaturschwankungen beeinflusst und zeigt eine vergleichsweise geringe jährliche Variabilität in Folge des Wärmeentzugs. Hingegen zeichnen sich Luftwärmepumpensysteme durch ausgeprägte Schwankungen der Quellentemperatur aus – von jahreszeitlich bis tageszeitlich. Erdkollektorsysteme zeigen sowohl eine ausgeprägte Abhängigkeit der Erdreichtemperaturen vom Klima als auch von der Wärmeentzugsmenge.

In unserer Studie vergleichen wir für unterschiedliche Klimastandorte in Deutschland die jahreszeitliche Entwicklung der Wärmequellen Luft und Erdreich für unterschiedliche Wärmeentzugsleistungen. Hierfür nutzen wir klimatologische Daten (Außentemperatur), Messdaten aus dem Monitoring von Erdwärmesonden, sowie modellierte Daten der Erdreichtemperaturen für Erdwärmekollektoren. Wir vergleichen zu welchen Zeiten Luftwärme bzw. Erdwärme die energetisch bevorzugte Quelle ist und ziehen Schlüsse mit Blick auf die Effizienz über ein ganzes Jahr. Dabei betrachten wir kritisch die gängige Praxis des Effizienzvergleichs von Luftwärmepumpen und Erdwärmepumpen auf Basis des SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) und diskutieren Unterschiede in der Effizienz zu Spitzenlastzeiten.

Eine ausreichend niedrige Netzrücklauftemperatur ist für die Wirtschaftlichkeit von tiefen und mitteltiefen Geothermie Projekten von hoher Bedeutung. Mit Hilfe neu entwickelter Absorptions-Hausanschlussstationen (AHCS) ist es möglich, die Rücklauftemperatur im Wärmeverteilnetz unter die Rücklauftemperatur des Gebäudeheizungssystems zu senken. Dadurch ist auch einer Erhöhung der Thermalwasserauskühlung bzw. eine Verringerung der Injektionstemperatur möglich. Außerdem wird für die gleiche Gebäudeheizleistung ein geringerer Volumenstrom im Wärmeverteilnetz benötigt, so dass entweder weitere bzw. zusätzliche Verbraucher mit versorgt werden können oder der Leistungsbedarf der Netzförderpumpen reduziert werden kann. Im Beitrag wird die technische Funktionsweise der AHCS dargestellt und die wirtschaftlichen Auswirkungen einer verringerten Rücklauftemperatur betrachtet.

In der oberflächennahen Geothermie werden bei geschlossenen Systemen, d.h. bei Erdwärmesonden und Flächenkollektoren, aber auch bei Nieder­temperatur­netzen, überwiegend Frost­schutzmittelgemische als Wärmeträgerflüssigkeit (WTF) verwendet, um einen Betrieb nahe bzw. unter 0 °C zu ermöglichen. Frostschutzmittel ist eine Bezeichnung für verschiedene chemische Substanzen wie z.B. Glykol. Zusätzlich zum Frostschutzmittel werden auch Additive zugesetzt, die beispielsweise als Korrosionsschutzmittel, Tensid oder Duftstoffe dienen. Im Falle eines Defekts können Frostschutz­mittelgemische in den Untergrund und ins Grundwasser gelangen, d.h., sie stellen ein Risiko für die Umwelt und insbesondere für das Trinkwasser dar.

In Deutschland wird als Frostschutzmittel überwiegend Ethylenglykol mit einem Volumenanteil zwischen 25 % und 30 % am WTF eingesetzt. Außerdem werden weitere Alkohole wie z.B. Propylen­glykol und Ethanol aber auch Solen verwendet. Die Frostschutzmittel beeinflussen nicht nur den Gefrierpunkt des WTF, sondern auch dessen thermische Eigenschaften sowie dessen Dichte und Viskosität und damit auch die Wärmeübertragung und die für die geothermische Anlage erforderliche Pumpleistung.

In einer von E.ON finanzierten Studie haben wir die Vor- und Nachteile von Frostschutzmitteln und Additiven analysiert, um eine Bewertungs­grundlage für den Betrieb von erd­gebundenen Wärmetauschern mit und ohne Frostschutzmittel und andere Zusatzstoffe zu erhalten. Beim Geothermiekongress diskutieren wir insbesondere das Umweltgefährdungspotenzial der WTF-Bestandteile sowie den Einfluss von Frostschutzmitteln auf die Gesamtkosten und die CO₂ Emissionen eines Erdwärmesondenfeldes.