Nachhaltig heizen mit Wärmepumpe – Praxistest aus Potsdam

Der Klimaforscher Stefan Rahmstorf hatte schon seit längerem den Plan, nachhaltig zu heizen und seine Gasheizung gegen eine Wärmepumpe auszutauschen. Bereits in den vergangen Jahren wurde sein Altbau energetisch saniert, sodass er die Voraussetzungen für einen effizienten Einsatz der Wärmepumpe erfüllt. Im Jahr 2021 wurde die Planung für eine Erdwärmepumpe konkreter und die Arbeiten dazu begannen.

WärmepumpenCheck

Wärmepumpe von Stefan Rahmstorf: Daten und Kennzahlen

Potsdam, 2021. „Sie brauchen dringend eine neue Gastherme“, sagte der Heizungstechniker von Stefan Rahmstorf bei einem Wartungstermin im Januar 2021, als er auf die 21 Jahre alte Heizung im Keller des Altbaus blickte. 

Warum Wärmepumpe?

Eine neue Gastherme zu installieren war für den Klimaforscher keine Lösung.

Und auch Alternativen wie Pelletheizungen oder Biogas lehnte Stefan Rahmstorf ab, da „sie von der Menge her so begrenzt sind, dass es nicht ausreichen würde, die Mehrheit oder gar alle deutschen Haushalte zu heizen“, erklärte er.

In Kombination mit Strom aus erneuerbaren Quellen – einerseits von seiner eigenen Photovoltaikanlage auf dem Dach, andererseits durch den Bezug von Ökostrom – ist die Wärmepumpe die ideale Heiztechnologie für das Gebäude.

Sanierter Altbau mit besten Voraussetzungen

Die Voraussetzungen des Gebäudes passten bereits für einen energie- und kosteneffizienten Einsatz der Wärmepumpe: Der 1930 erbaute Altbau wurde im Jahr 2000 umfangreich energetisch saniert, wodurch der Wärmebedarf des Gebäudes reduziert werden konnte. Die energetische Sanierung umfasste die Dämmung der Außenwand und des Daches sowie den Austausch von Fenstern.

Die Energie des Erdreichs nutzen

Mit Wärmepumpen hatte sich der Klimaforscher bereits in seinem Studium beschäftigt. Mit Blick auf die Wärmepumpe, die bei ihm installiert werden sollte, war für Stefan Rahmstorf von Anfang an klar: Eine Erdwärmepumpe − eine sogenannte Sole-Wasser-Wärmepumpe − sollte das Haus mit Wärme versorgen.

„Denn unter der Erde herrscht auch bei Kälte im Winter in etwa die Jahresdurchschnittstemperatur von etwa +10 Grad. Von daher ist es effizienter, wenn man diese relativ warme Umgebung unter der Erde nutzt“, erklärt Stefan Rahmstorf. Die Jahresarbeitszahl der Sole-Wasser-Wärmepumpe ist dadurch höher als bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, die auch in der kalten Jahreszeit Wärme aus der Umgebungsluft gewinnen muss.

Pufferspeicher ergänzt die Wärmepumpe optimal

Nach Gesprächen mit dem beauftragten Fachunternehmen hinsichtlich der geeigneten Erdwärmepumpe und der benötigten Leistung stand fest, dass die Erdwärmepumpe im Kellerraum installiert werden sollte. Der dortige Warmwasser- und Pufferspeicher, der an die Gastherme angeschlossen war, sollte in diesem Zuge durch separate Speicher ersetzt und an die Wärmepumpe gekoppelt werden.

Der Vorteil eines Pufferspeichers: Er kann überschüssige Wärme speichern und diese bei Bedarf an das Heizungssystem abgeben. Dies ermöglicht beispielsweise auch, dass die Wärmepumpe überschüssigen Solarstrom vom eigenen Dach für die Wärmeerzeugung nutzt und in den Pufferspeicher einspeist.

Die Wärmepumpe im Detail: natürliches Kältemittel & Erdsonden

Wärmepumpen werden mithilfe eines Kältemittels betrieben. Aktuell am meisten im Einsatz sind fluorierte Kältemittel. Diese werden synthetisch hergestellt, ihre Abbauprodukte sind umweltschädlich und potentiell gesundheitsschädlich. Es existieren aber auch Wärmepumpen, die mit einem natürlichen Kältemittel betrieben werden. Diese Kältemittel kommen auf natürliche Weise in der Umwelt vor und belasten diese kaum. Da dem Klimaforscher Klima- und Umweltfreundlichkeit sehr wichtig sind, entschied sich Stefan Rahmstorf für eine Wärmepumpe mit dem natürlichen Kältemittel Propan.

Im Unterschied zu einer Erdwärmepumpe mit fluorierten Kältemitteln ist die bei Stefan Rahmstorf eingebaute Wärmepumpe mit einem Ventilator für die Gehäuse-Entlüftung ausgestattet. Zusätzlich wurde ein Lüftungsrohr im Keller eingebaut. Im unwahrscheinlichen Fall, dass der Kältekreislauf beschädigt wird, kann das Kältemittel mithilfe des Ventilators und des Lüftungsrohrs nach außen befördert werden.

Erdsonden, um die Energie aus der Erde zu gewinnen

Zur Nutzbarmachung der Erdwärme bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten:

• die Installation von Erdsonden, die bis zu 100 Meter tief in die Erde reichen können, oder
• die breitflächigere Verlegung von Flächenkollektoren, die oberflächennah in etwa 1,5 Meter Tiefe verlegt sind.

Bei beiden Varianten fließt eine Salz-Wasser-Lösung durch die Rohre, welche die Erdwärme aufnimmt und an die Wärmepumpe weitergibt.

Nach Gesprächen mit kundigem Fachpersonal und der Abwägung der Vor- und Nachteile fiel für Stefan Rahmstorf die Entscheidung auf Erdsonden. Überzeugt hat ihn vor allem, dass sie nur einen kleinen Flächenbedarf im Garten erfordern, den er gerne für sein Wärmepumpe frei machte.

Bohrung der drei Erdsonden

Um den benötigten Wärmebedarf des Gebäudes zu decken, wurden im Januar 2022 drei Erdsonden im Garten gebohrt, jeweils 85 Meter tief. Die Anzahl an Erdsonden hat ein Fachunternehmen für Anlagentechnik berechnet.

• Der reine Bohrungsprozess dauerte fast eine Woche, da pro Erdsonden-Bohrung zwei Tage benötigt wurden.
• Der Anschluss der drei Erdsonden zum Haus konnte schließlich innerhalb eines Tages fertiggestellt werden.

Baggerarbeiten größer als gedacht

Begleitet wurden die Maßnahmen neben dem eigentlichen Bohrgerät durch einen kleinen Bagger, der einen Graben für Leitungen sowie das Becken für das Spülwasser der Bohrung ausgehoben hat.

„Ich war schon überrascht über das Ausmaß der Baggerarbeiten, da ist ein erheblicher Teil der Rasenfläche draufgegangen“, sagt Rahmstorf, der nicht mit dem Platzbedarf der Baumaßnahmen gerechnet hatte. Vor allem aber freute er sich darüber, seinem Ziel einer effizienten Wärmepumpe näher gekommen zu sein.

Bürokratie bleibt am aufwendigsten

Während die Bohrungen und der Anschluss der Erdsonden an das Gebäude eine Woche dauerten, benötigte der bürokratische Prozess zur Bohrgenehmigung deutlich länger. So wurde am 15. September 2021 ein Antrag auf Genehmigung der Tiefenbohrung von Seiten des Bohrunternehmens gestellt.

Letztendlich dauerte es aber bis Januar 2022, bis die Erdsonden endlich gebohrt werden konnten − aufgrund von Verzögerungen bei der Bearbeitung des Antrags durch die zuständige Behörde sowie eines vollen Terminkalenders beim Bohrunternehmen. Ein bereits vom Bohrunternehmen für November gesetzter Termin für die Bohrungen musste deshalb abgesagt werden.

Aber auch die Inbetriebnahme der Wärmepumpe verzögert sich

Nachdem die Wärmepumpe sowie die neuen Warmwasser- und Pufferspeicher bereits im März 2022 an Stefan Rahmstorf ausgeliefert wurden, musste sich der Klimaforscher noch bis Mitte Juni gedulden, bis seine Wärmepumpe angeschlossen wurde. Grund für die Verzögerung der Installation war insbesondere der krankheitsbedingte Ausfall eines Handwerkers, der so kurzfristig nicht ersetzt werden konnte. In diesem Praxistest zeigten sich also auch der Mangel an Handwerker*innen sowie pandemiebedingte Engpässe.

Eine gute Kombo: Wärmepumpe, Solarthermie und Photovoltaik

Bereits seit 2000 ist ein Solarthermie-Kollektor auf dem Dach des Gebäudes für die Warmwasser-Erzeugung angebracht. In der Vergangenheit konnte Stefan Rahmstorf dadurch die Gastherme im Laufe des Monats Mai komplett aus- und erst wieder im September einschalten. Zukünftig wird die Solarthermie im Sommerbetrieb weiterhin das Warmwasser alleine erzeugen können − wenn der Trinkwarmwasserverbrauch der Familie konstant bleibt. In den restlichen Monaten wird die neue Wärmepumpe anstelle der Gastherme unterstützen.

Das Gebäude verfügt neben den Solarthermie-Kollektoren seit 2013 auch über eine Photovoltaikanlage. Die Anlage erzeugt bislang im Jahr fast doppelt so viel Strom, wie der Haushalt benötigt und wird einen Teil des eingesetzten Stroms für die Wärmepumpe liefern.

Nach der Installation soll der Betrieb der Wärmepumpe kontinuierlich überwacht und ausgewertet werden. Genaue Informationen zu Verbrauchsdaten und Effizienz der Wärmepumpe veröffentlichen wir im weiteren Zeitverlauf.

Auswertung 2022/2023: gute Effizienz durch Sanierungsmaßnahmen

Der Klimaforscher ist mit der Effizienz seiner Wärmepumpe mehr als zufrieden. Durch gezielte energetische Sanierungsmaßnahmen und die Nutzung der Erdwärme arbeitet die Wärmepumpe in dem fast 100 Jahre alten Haus äußerst effizient. Im Verlauf von einem Jahr wurden aus 7.818 Kilowattstunden elektrischer Energie 37.744 Kilowattstunden thermische Energie für das Heizen erzeugt, was einer bemerkenswerten Jahresarbeitszahl von 4,8 entspricht.

Trotz der Herausforderungen mit einer Fußleistenheizung, die aufgrund ihrer begrenzten Oberfläche nicht optimal für eine Wärmepumpe geeignet ist, beweisen die Ergebnisse, dass Wärmepumpen auch in Altbauten äußerst effizient betrieben werden können. Die Potenziale könnten noch weiter ausgeschöpft werden, wenn größere Heizkörper oder eine Flächenheizung zum Einsatz kämen.

Zusätzlich wurden für die Warmwasserbereitung aus lediglich 442 Kilowattstunden elektrischer Energie beachtliche 1.969 Kilowattstunden thermische Energie erzeugt, was einer weiteren hervorragenden Jahresarbeitszahl von 4,5 entspricht. Die Warmwasserbereitung erfolgt in der wärmeren Jahreshälfte ausschließlich über die Solarthermische-Anlage. In der Übergangs- und Winterzeit wird der Warmwasserspeicher gemeinsam von Solarthermie und Wärmepumpe beheizt.