Wärmeschutz: Das perfekte Paar

Wärmepumpen können Gebäude besonders effizient beheizen, indem sie Umgebungswärme aus der Luft, dem Erdreich oder anderen Quellen für die Beheizung von Räumen nutzbar machen. Mit dem Einsatz einer Kilowattstunde Strom stellen sie 2,5 bis 4,5 Kilowattstunden Wärme bereit. Als Alternative zu Öl und Gas spielen Wärmepumpen im Zuge der Dekarbonisierung deshalb eine wichtige Rolle – nicht zuletzt die hohen Energiepreise infolge des Ukraine-Kriegs trugen in den vergangenen Jahren zu einer starken Marktentwicklung bei.

Ohne ausreichenden Wärmeschutz wird die Wirkungsweise der Technologie jedoch eingeschränkt. Denn auch die Gebäudedämmung ist eine wichtige Säule zur Erreichung der Klimaziele. Gerade in Verbindung mit Wärmepumpen bieten Dämmsysteme wesentliche Vorteile, wie Martin Pehnt, Geschäftsführer des Heidelberger Instituts für Energie und Umweltforschung (ifeu), erklärt: »Wärmeschutz und Wärmepumpen sind gemeinsam viel effizienter als jede einzelne Technologie für sich. Kombiniert tragen sie dazu bei, die elektrische Energie effektiver zu nutzen, durch gedämmte Gebäude den Heizwärmebedarf zu senken und auch das Stromnetz zu entlasten.«

Kühler heizen
Wärmepumpen arbeiten am effizientesten mit niedrigen Vorlauftemperaturen (unter 55 °C) in gut gedämmten Gebäuden. In ungedämmten Häusern braucht es leistungsstärkere, teurere Geräte mit höherem Stromverbrauch. Derzeit ist nur rund die Hälfte aller Bestandsgebäude für den Einsatz von Wärmepumpen geeignet. Ohne entsprechende Vorbereitung zieht ein Heizungstausch nicht nur hohe laufende Kosten nach sich, sondern überlastet auch die Stromnetze.

Das Münchner Forschungsinstitut für Wärmeschutz (FIW) hat gemeinsam mit den Expert*innen von ifeu die Synergien für das Energiesystem und Gebäude untersucht. Im Fokus standen dabei auch die Auswirkungen auf die Stromnetze, treiben doch Wärmepumpen, Elektroautos und Ladepunkte den Strombedarf deutlich in die Höhe. Vor allem in der kalten Jahreszeit können zu große Spitzenlasten die lokalen Netze überlasten. »Gedämmte Gebäude reduzieren die Strom-Spitzenlast im Winter um den Faktor 2 bis 3 und tragen damit nicht nur zur Netzstabilität bei, sondern vermindern auch die benötigten Netzkapazitäten deutlich«, heißt es in der Studie.

Auch erneuerbare Energiequellen stehen nicht unbegrenzt zur Verfügung. Der notwendige Ausbau von Wind- und Solarenergie geht nur langsam voran. Umso wichtiger ist es, das vorhandene Energiepotenzial möglichst wirtschaftlich einzusetzen. Eine weitreichende Umstellung der Heizsysteme verschiebt die Hauptlast des Strombedarfs in den Winter. Damit rückt nicht nur die Menge an verfügbarem Strom, sondern auch der Zeitpunkt des höchsten Bedarfs sowie die Wechselwirkung zwischen Netz und Gebäuden in den Fokus. Die Lastverschiebung ist in Gebäuden mit gut gedämmter, luftdichter Hülle und einem effizienten Heiz- und Lüftungssystem deutlich flexibler. Während in ungedämmten Gebäuden die Raumtemperatur innerhalb von zwei bis drei Stunden deutlich sinkt, bleibt das Raumklima in Gebäuden mit gutem Wärmeschutz angenehm. Selbst Sperrzeiten von bis zu einem halben Tag wären ohne Komfortverlust zu überbrücken. Die Spitzen der Heizlast könnten somit problemlos in kostengünstigere Stunden verschoben werden.

Effizienzvergleich unterschiedlicher Gebäudestandards: Bedarf zur Versorgung von rund 19.000 Wohneinheiten (à 100 m2) mit Heizstrom (jahresbilanziell).

Nicht nur im Neubau
Lange Zeit galt die Annahme, dass Wärmepumpen nur in Neubauten und in Kombination mit einer Fußbodenheizung installiert werden können. Dieser Mythos gehört der Vergangenheit an. Trotzdem sind Wärmepumpen nicht uneingeschränkt für alle Gebäudetypen zu empfehlen. Völlig unsanierte Gebäude eignen sich weniger gut und stellen insbesondere das Stromsystem vor große Herausforderungen.

2020 untersuchte das Fraunhofer Ins­titut ISE in einem Feldtest die Effizienz von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden, die zumindest teilsaniert waren. Dabei zeigte sich, dass sich die Abdeckung der Heizlast und der Transport der erforderlichen Wärmemenge umso schwieriger gestaltet, je schlechter ein Gebäude gedämmt ist. So ist in Häusern ohne ausreichenden Wärmeschutz vermehrt mit Überschreitungen der maximalen Durchflussgeschwindigkeit in den Rohrleitungen zu rechnen.

Beim direkten Vergleich einer Luft-Wasser-Wärmepumpe mit einem Gasbrennwertkessel zeigt sich, dass die Heizkosten mit einer Wärmepumpe in den meisten Effizienzklassen niedriger ausfallen als mit einer Gasheizung. In den schlechteren Effizienzklassen – also in unsanierten oder schlecht gedämmten Gebäuden – ist das Heizen mit einer Wärmepumpe jedoch teurer als mit einer Gasheizung. Mit dem Gesamtwärmebedarf verringert sich auch der Stromverbrauch der Wärmepumpen um fast ein Drittel. Beim Ausbau erneuerbarer Energieträger wären somit beispielsweise weit weniger Windkraftanlagen notwendig.

Vorbereitung notwendig
Die Wärmepumpen-Offensive der deutschen Bundesregierung sieht vor, dass jährlich 500.000 Gebäude mit einer Wärmepumpe klimafreundlich umgerüstet werden und im Jahr 2030 rund sechs Millionen Geräte in Betrieb sind. Für Österreich sind die Pläne ähnlich ambitioniert. Zuvor sind jedoch etliche Vorbereitungsmaßnahmen angezeigt. Vor dem Einbau einer Wärmepumpe sollte das Gebäude auf Niedertemperatur-Status gebracht werden, um die technische Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.

Um die Wärmewende voranzutreiben, wäre auch die Absenkung des Nahwärmenetzes in den Kommunen auf Niedertemperatur ein wichtiger Schritt. Ältere Heizsysteme arbeiten nämlich oft noch mit einer Vorlauftemperatur von 70 Grad und mehr. Diese hohen Temperaturen sind bei modernen Heizungsanlagen gar nicht notwendig. »Das niedrige Temperaturniveau macht den Einsatz von Wärmepumpen, Solarkollektoren und Fernwärme attraktiver und kostengünstiger«, sagt ifeu-Geschäftsführer Pehnt. Ist der Umstieg auf niedrige Vorlauftemperaturen in den Häusern erst geschafft, wird auch der Betrieb von Nahwärmenetzen deutlich günstiger: Niedertemperatur-Netze verlieren weniger Wärme und sparen so direkt Energiekosten ein.

Auch der oftmals empfohlene Austausch zu kleiner Heizkörper, der wegen der zunächst geringeren Investitionen gerne bevorzugt wird, sind in dieser Hinsicht »stranded assets«. Das zugrunde liegende Problem – der zu hohe Wärmebedarf des Gebäudes – wird dadurch nämlich nicht gelöst. »Die Wärmedämmung ist immer das Mittel zum Zweck«, betont Hans-Joachim Riechers, früherer Hauptgeschäftsführer des deutschen Verbands für Dämmsysteme, Putz und Mörtel (VDPM). Statt in größere Heizkörper sollten Hausbesitzer*innen besser in erster Linie in den Wärmeschutz der Gebäudehülle investieren – nur so lasse sich der Heizwärmebedarf langfristig senken.

Hintergrund: Entlastung fürs Stromnetz

Die Abbildung zeigt die jeweiligen Effekte schematisch für ein Quartier, bestehend aus neun Gebäuden. Baut man in jedes dieser Gebäude im unsanierten Zustand eine Wärmepumpe ein, würde das bedeuten, dass die einzelne maximale elektrische Last jeweils bei 15 kW liegt. In der Summe wären das also insgesamt 135 kW.

Wird beim gleichen Quartier im Vorfeld die thermische Hüllfläche nach dem derzeitigen Stand der Technik saniert, reduziert sich die individuelle Last auf 5 kW pro Gebäude bzw. im gesamten Quartier auf 45 kW. Mit flexiblem und reaktivem Lastenmanagement durch ein smartes Microgrid könnte bei gut gedämmten Gebäuden die individuelle Last nochmals gesenkt werden. 

In dem aufgezeigten schematischen Beispiel wird deutlich, wie bei entsprechendem Wärmeschutz mit dem Einbau netzdienlicher Wärmepumpen (SmartGrid-ready) und einer verpflichtenden Nutzung von Regelalgorithmen ein aus energiewirtschaftlicher Sicht sinnvoller Betrieb der Wärmepumpe gewährleistet werden könnte.