Vier PVT-Konzepte für die Wohnungswirtschaft

Um im Gebäudesektor die deutschen und internationalen Klimaschutzziele zu erreichen, ist eine deutlich größere Sanierungsrate erforderlich. Es geht zum einen um die Dämmung der Gebäudehülle, zum anderen um das Ersetzen fossil betriebener Wärmeerzeuger. Der Einsatz konventioneller Wärmepumpen stößt in der Sanierung von Mehrfamilienhäusern allerdings an Grenzen – sei es, weil im dicht besiedelten städtischen Raum größere Außenluftaggregate von Luftwärmepumpen wegen des Lärmschutzes nicht möglich sind, oder sich Erdsonden und Erdreichkollektoren nachträglich nur schwierig realisieren lassen. Deshalb stellen die Sanierungen die Wohnbaugesellschaften, Planungsbüros und Installationsbetriebe vor große Herausforderungen: Die Umsetzung stellt jedes Mal einen neuen Einzelfall dar und ist daher aufwändig – und es fehlt an notwendigen Fachkräften.

Einen wirtschaftlichen Lösungsansatz bieten Wärmepumpen, die mit PVT-Luft-Sole-Kollektoren betrieben werden (Abb. 1). Bei PVT-Luft-Sole-Kollektoren handelt es sich gemäß der Definition des nationalen DIN Spiegelausschuss NA 041 01 56 AA „Solaranlagen (SpA CEN/TC 312 und ISO/TC 180)“ um Sonnenkollektoren, die sowohl die Solarstrahlung als auch die thermische Energie der Umgebungsluft als Wärmequelle zum Beispiel für Wärmepumpen nutzen.

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt Dyn-Opt-San sollen diese Hindernisse mit drei Projektzielen überwunden werden:

Die entwickelten Konzepte sollen in etwa 20 Demon-
strationsobjekten sukzessive umgesetzt werden, von denen zehn mit spezieller Messtechnik ausgestattet werden. Zu den Projektpartnern gehören die Entwicklungsfirma Consolar Solare Energiesysteme, der PCM-Hersteller ESDA Technologie, das Planungsbüro Solares Bauen, das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB,  die Universität Paderborn und – assoziiert – der Energiemanagementanbieter Enisyst.

Der Beitrag erläutert folgende vier im Projekt spezifizierten Sanierungskonzepte und stellt jeweils ein realisiertes oder sich in der Planung/Umsetzung befindliches Beispiel vor.

Das Warmwasserversorgungskonzept beeinflusst bei Mehrfamilienhäusern zentral die Effizienz des Betriebs. Auch hierfür wurden vier Konzepte als Standard definiert, von denen der Beitrag eines zeigt. In allen vier Konzepten kann optional ein PCM-Speicher entweder auf der Quellenseite oder als Heizungs- oder Warmwasserpufferspeicher eingesetzt werden, hierzu gibt es aktuell allerdings kein konkret geplantes Projekt.

Zu den Arbeiten der Standardisierung gehört es, die Montage der PVT-Luft-Sole-Kollektoren zu vereinfachen und an Fassaden zu ermöglichen. Soll ein Gebäude erst im zweiten Schritt gedämmt werden, stellt sich eine besondere Herausforderung, für die wir ein neues Montagekonzept vorstellen.

Hybridanlage mit PVT-Wärmepumpe und Spitzenlastkessel

Bei diesem in Abb. 2 schematisch dargestellten Konzept wird zunächst das fossile Heizsystem durch eine Wärmepumpe mit PVT-Luft-Sole-Kollektorfeld ergänzt. Die Wärmepumpe muss meist nur 35 bis 50 Prozent der Heizlast decken, um insgesamt mehr als 65 Prozent der Heizenergie zu liefern. Die reduzierte Leistung und damit die Größe der Wärmepumpe und des PVT-Luft-Sole-Kollektorfelds als alleinige Wärmequelle führt zu moderaten Investitionskosten und zu einer guten Wirtschaftlichkeit.

Seit Mitte 2024 befindet sich die Sanierung eines Mehrfamilienhauses des Immobiliendienstleisters Bauverein in Darmstadt nach diesem Konzept in Planung. Es handelt sich um ein Gebäude aus dem Jahr 1961, das 2016 teilsaniert wurde, mit 1.000 Quadratmetern beheizter Wohnfläche für 16 Wohnungen. Derzeit wird es mit einem 65-Kilowatt-Gaskessel beheizt und mit Warmwasser versorgt. Der Jahreswärmebedarf der Heizung beträgt 97.600 Kilowattstunden bei einer Heizkreis-Vorlauftemperatur von 65 Grad Celsius. Der Jahreswärmebedarf für das Warmwasser beläuft sich auf 42.550 Kilowattstunden. Die Warmwasserbereitung erfolgt über einen zentralen Warmwasserspeicher mit 500 Litern und Zirkulationsleitung. Für die Heizungsversorgung gibt es bislang keinen Pufferspeicher.

Für die erneuerte Heizung wurden folgende Komponenten geplant:

Im Rahmen des Dyn-Opt-San-Projekts wurde das PV-Dachbelegungs- und Statik-Programm Sun Optimo für SOLINK-PVT-Wärmepumpenkollektoren weiterentwickelt. Hiermit wurden die Dachbelegung und statische Auslegung für das Objekt geplant (Abb. 3). Die Anlage ist in Polysun simuliert und soll mit wenigen Veränderungen so umgesetzt werden. Die Simulationsergebnisse stellt Abb. 4 dar. Die Heizungserneuerung soll – mit Verzögerung – im Mai 2025 starten.

Monoenergetische Versorgung mit einem zentralen PVT-Wärmepumpensystem

Einige kommunale Wohnbaugesellschaften sehen angesichts des Auftrags von Stadt, Land und Bund, ihren Gebäudebestand bis 2045 klimaneutral umzubauen, in der bis dahin verbleibenden Zeit keine finanziellen und personellen Kapazitäten, ein Gebäude zweimal „anzufassen“. Dies gilt insbesondere in Baden-Württemberg, wo bereits bis 2040 Klimaneutralität erreicht sein soll. Sie streben Konzepte an, mit denen sie sofort auf klimaneutrale Lösungen umstellen können, in der Regel entweder Nah-/Fernwärme oder Wärmepumpen.

Dafür werden an der Gebäudehülle meist nur die Maßnahmen umgesetzt, die ohnehin aktuell oder in Kürze anstehen, wie zum Beispiel eine Dachsanierung oder gegebenenfalls die Fassadendämmung, wenn das Gebäude ohnehin neu gestrichen oder verputzt werden muss. Dazu kommen Maßnahmen, die mindestens nötig sind, um einen effizienten Wärmepumpenbetrieb zu ermöglichen, zum Beispiel der Austausch einzelner Heizkörper durch großflächige sowie ein hydraulischer Abgleich, um Heizkreisvorlauftemperaturen von maximal 55 Gard Celsius zu erreichen.

Das zweite PVT-Standard-Sanierungskonzept basiert darauf, dass die zentrale Komplettversorgung des Hauses mit einer Wärmepumpe mit PVT-Luft-Sole-Kollektoren erfolgt – ohne weiteren ergänzenden Wärmeerzeuger und ohne zweite Niedertemperatur-Wärmequelle für die Wärmepumpe (Abb. 5).

2020 wurde ein Mehrfamilienhaus in Heitersheim in Südbaden entsprechend energetisch kernsaniert (Abb. 6). Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Mindestmaßnahmen wurde die Gebäudehülle komplatt saniert. Im Zusammenspiel mit dem SOLINK-Wärmepumpensystem gelang es, den Effizienzhaus-40-Standard mit vertretbaren Kosten zu erreichen.

Seit Dezember 2020 versorgt die PVT-Wärmepumpenanlage sechs Wohnungen mit einer Gesamtwohnfläche von 560 Quadratmetern mit Strom und Wärme. Insgesamt 28 SOLINK-Wärmepumpenkollektoren versorgen eine 17-Kilowatt-Wärmepumpe. Eine zentrale Frischwasserstation übernimmt in Kombination mit einem 1.000-Liter-Speicher die Warmwasserversorgung des Gebäudes. Die Verteilung erfolgt über ein 4-Leiter-System. Für den Heizkreislauf wurde ein 800 Liter großer Pufferspeicher installiert. Die Wohnungen werden über Fußbodenheizungen versorgt, die alternativ zur Kühlung genutzt werden können.

2022 hat das Projekt IntegraTE die Anlagendaten ausgewertet und mit den Simulationsergebnissen verglichen (Abb. 7). Es ergab sich eine weitgebende Übereinstimmung der Jahresarbeitszahl des Monitorings von 3,7 mit der Simulation von 3,8. Dies ist in Anbetracht des anteilig hohen Warmwasserverbrauchs von 54 Prozent ein sehr gutes Ergebnis. Da keine Monitoringdaten zum PV-Ertrag vorlagen, wurde er aus der Simulation entnommen. Die Jahresarbeitszahl der PVT-betriebenen Wärmepumpe kann unter Berücksichtigung des direkt genutzten Solarstroms mit 4,6 bis 4,8 angenommen werden.

Etagenheizungen mit dezentralen Wärmepumpen und PVT-Luft-Sole-Kollektoren

Bei Etagenheizungen ist der Umbau auf ein zentrales Heizsystem oft aufwändig. Eine Alternative bieten dezentrale kleine Sole-Wärmepumpen in den einzelnen Wohnungen anstelle der Gasthermen. Die Wärmepumpen werden in dem in Abb. 8 dargestellten Sanierungskonzept thermisch über eine Soleleitung versorgt, die entweder im nicht mehr benötigten Kamin oder an der Fassade verlegt wird. Die Sole wird in einem PVT-Kollektorfeld auf dem Dach oder an der Fassade erwärmt.

Seit Mitte 2024 befindet sich die Sanierung eines Mehrfamilienhauses einer Eigentümergemeinschaft in Frankfurt mit diesem Konzept in Planung. Es handelt sich um ein Gebäude aus dem Jahr 1907 mit 770 Quadratmetern beheizter Wohnfläche. Derzeit beheizen Wohnungsgasthermen die sechs Wohnungen und versorgen sie mit Warmwasser. Der gesamte Jahreswärmebedarf Heizung und Warmwasser beträgt 92.200 Kilowattstunden. Für das Gebäude wurde ein individueller Sanierungsfahrplan erstellt. Neben dem Austausch der Gasthermen empfiehlt er die
Dämmung des Daches vor der Montage der PVT-Luft-Sole-Kollektoren sowie die Dämmung der Kellerdecke.

Da bei dem aktuellen Verbrauch des Hauses und dem Anschluss aller Wohnungen die Dachfläche für die notwendige Kollektorfläche nicht ausreichen würde, wird zusätzlich die Montage der Kollektoren an der Fassade geprüft. Dabei soll nicht die gesamte Fassade des Gebäudes gedämmt werden, aber gegebenenfalls hinter den Kollektoren. Es ist geplant, die ungedämmten Soleleitungen an der Fassade zu verlegen. Abb. 9 zeigt die geplante Anordnung der Kollektoren auf dem Dach.

Bild: Consolar

Kalte Nahwärme mit dezentralen Wärmepumpen und netzgekoppelten PVT-Luft-Sole-Kollektoren

Ist bei einer Sanierung ein Nahwärmenetz geplant, so kann vorteilhaft ein kaltes Netz eingesetzt werden, das PVT-Luft-Sole-Kollektoren dezentral, zentral oder kombiniert versorgen. Sind die PVT-Kollektoren dezentral auf den einzelnen Gebäuden montiert, versorgen sie prioritär direkt die Wärmepumpe. Überschüsse werden ins Netz eingespeist, eine Unterdeckung kann durch das Netz ausgeglichen werden (Abb. 10).

In Offenbach an der Queich wurde 2020 ein neues Rathaus gebaut. 200 Quadratmeter PVT-Luft-Sole-Kollektoren auf dem Dach und eine 51-Kilowatt-Sole-Wasser-Wärmepumpe heizen und kühlen es. Von Anfang an war geplant, das Rathaus in einem zweiten Schritt in ein noch zu errichtendes kaltes Nahwärmenetz zu integrieren, das mittlerweile gebaut wurde. Als Quellen dienen neben der PVT-Anlage auf dem Rathaus drei Grundwasserbrunnen. In einer weiteren Ausbaustufe sind Erdwärmesonden vorgesehen.

Aktuell werden die kommunalen Gebäude im Queichtalzentrum angeschlossen: eine Festhalle, ein Feuerwehrhaus, ein Freibad, eine Kindertagesstätte, das Rathaus, eine Sporthalle, ein Sportplatz sowie ein Vereinsheim. Weiterhin sollen Wohnhäuser eines Straßenzugs versorgt werden. Im Zuge der Straßensanierung wurden bereits die Rohre des kalten Netzes mitverlegt. Die Gebäude auf der Südseite wurden in den 70er Jahren gebaut, auf der Nordseite in den 90er Jahren. Die bisherige Versorgung beruht überwiegend auf Gas, vereinzelt auf Öl.

20 Anlieger haben einen Anschluss auf das Grundstück vorverlegen lassen, als Option für eine spätere Nutzung. Bei fünf Objekten besteht aktuell konkretes Interesse an einer zeitnahen Nutzung. Sämtliche Gebäude werden als reine Abnehmer an das Netz angeschlossen, ohne eigene PVT-Anlage auf dem Dach. Die Besitzer, die Ihr Haus anschließen, bauen jeweils selbst eine Wärmepumpe ein. Zunächst wurde untersucht, ob die Wärmepumpe vom Versorger gestellt werden kann. Wegen des hohen Bedarfs an individueller Abstimmung – unterschiedliche Verbräuche wegen Anbauten oder unterschiedlicher Sanierungsgrade – wäre das aber zu aufwendig.

In der Nachbarschaft zum Rathaus verläuft eine weitere Straße mit interessierten Anliegern. Für sie gibt es aber noch keine konkreten Ausbaupläne. In den nächsten Jahren plant die Gemeinde jedoch, weitere Straßen zu sanieren und im Zuge dessen die Wärmeleitungen anzubinden.

Konzepte zur Warmwasserbereitung

Bei Energiekonzepten mit zentraler Wärmeversorgung ist die Warmwasserbereitung insbesondere mit Wärmepumpen oftmals ein für die Effizienz und damit für den Energieverbrauch entscheidender Faktor. Die Legionellenverordnung verlangt Warmwassertemperaturen am Austritt des Trinkwassererwärmers von mindestens 60 Grad Celsius. Das führt zu ungünstigen Betriebspunkten der Wärmepumpe, insbesondere wenn keine Trennung der Temperaturbereiche für Warmwasser und Heizung vorliegt, und somit auch die Heizung immer mit Temperaturen über 60 Grad Celsius betrieben werden muss.

Das Projekt Dyn-Opt-San hat vier Warmwasserversorgungskonzepte für die Sanierung als Standard definiert, die eine Wärmeversorgung mit guter Effizienz ermöglichen. Je nach Bestandssituation kann eines dieser Konzepte gewählt werden:

Beispielhaft stellt Abb. 11 das vierte Konzept dar. Der Heizkreis wird gleitend betrieben. Im Winter sind die Temperaturen teilweise so hoch, dass die Warmwassertemperatur am Austritt des Wärmetauschers auch ohne aktiven Durchlauferhitzer ausreicht. Sinkt sie unter den Mindestwert ab, hebt sie der elektrische Durchlauferhitzer an.

Wird die Anlage zusammen mit PVT und einem Energiemanagement betrieben, wird der Pufferspeicher im Sommer mit selbst erzeugtem Stromüberschuss von der Wärmepumpe aufgeheizt. Auch dann müssen die elektrischen Durchlauferhitzer nur selten anspringen.

Ausblick: Digitaler Sanierungs­assistent und Betriebs­management

Im nächsten Schritt sollen die Sanierungskonzepte sowohl mit ihrer Wirkung auf Energieverbrauch und -kosten, den CO₂-Ausstoß und indikative Sanierungskosten abgebildet werden. In einem digitalen Sanierungsassistent werden dann für ein vorgegebenes Bestandsgebäude unterschiedliche infrage kommende Konzepte simuliert und das geeignetste vorgeschlagen. Neben den vier PVT-Konzepten sollen auch herkömmliche Wärmeversorgungssysteme wie Luft/Wasser-Wärmepumpen mit oder ohne PV-Anlage oder der Anschluss an Nah-/Fernwärmenetze berücksichtigt werden. Weiterhin sollen Dämmmaßnahmen beschrieben sein.

Das ausgewählte Konzept kann im Anschluss mit allen dazu hinterlegten Daten konkretisiert und in die digital unterstützte Planung gebracht werden. Dazu gehört das oben erwähnte Planungstool zur Belegungsplanung für die PVT-Kollektoren. Das Projekt Dyn-Opt-San arbeitet derzeit daran, auch die Planung und hydraulische Dimensionierung der Rohrleitungen in das Programm zu integrieren. Weiter sollen mit der geplanten Dach- und gegebenenfalls Fassadenbelegung und den konkret ausgewählten Komponenten wie Kollektortyp, Speicher und Wärmepumpe eine Anlage simuliert sowie Erträge, Verbrauch und Wirtschaftlichkeit spezifisch ermittelt werden können.

Zur einfachen standardisierten Umsetzung der Konzepte auf der Steuerungs- und Regelungsseite ist in Abstimmung mit Consolar und dem Fraunhofer IOSB ein lokaler Betriebsmanager beim assoziierten Partner Enisyst in Entwicklung. Diese lokale Steuerungs- und Regelungshardware kommuniziert mit dem Cloud-basierten prädiktiven Dyn-Opt-San-Energiemanager, der am Fraunhofer IOSB entwickelt wird, und setzt die dort ermittelten optimierten Betriebsfahrpläne in Form von Solltemperaturanhebungen um.

Er arbeitet herstellerunabhängig und kompatibel mit den am Markt wichtigsten Batteriespeichern, Heizkesseln, Wärmepumpen und Wechselrichtern. Mit den Wärmeerzeugern kommunizieren kann er über eine Modbus-Anbindung. Die von Consolar entwickelte Logik für den Betrieb von Wärmepumpen mit PVT-Luft-Sole-Kollektoren wird integriert. Für die Grundeinstellungen für Heizung und Warmwasser wie Heizkurve, Warmwasser-Solltemperatur, Zeitprogramme gibt es eine identische Oberfläche für alle Wärmeerzeugerfabrikate, was für Hausverwalter ein großer Vorteil ist. Über den Cloud-Energiemanager können die realen Verbrauchs- und Ertragswerte mit den simulierten verglichen und größere Abweichungen angezeigt werden.

Der Dank der Autor:innen gilt dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (jetzt: Bundesministerium für Wirtschaft und ­Energie) sowie dem Projektträger Jülich, ohne deren Förderung die Arbeiten nicht möglich wären. Weiter geht der Dank an die Bauverein AG der Stadt Darmstadt für die gute Zusammenarbeit im ersten beschriebenen Projekt sowie an Dominik Hoffmann und die Energie Südwest für die ebenfalls gute Zusammenarbeit in dem Projekt ­Offenbach an der Queich und die Zurverfügungstellung der Daten.

Bild: Consolar

Bild: Consolar

Bild: IntegraTE

Bild: Consolar

Bild: Consolar

Bild: Consolar

Bild: Consolar

Kollektormontage für spätere Gebäude­dämmung

Speziell das Konzept der zweistufigen Sanierung wirft die Frage auf, wie erreicht werden kann, dass die Montage der PVT-Luft-Sole-Kollektoren auf einem ungedämmtem Gebäude eine Dämmung der Gebäudehülle im zweiten Schritt nicht verhindert. Für diese Anforderung wurde für die Fassadenmontage der Kollektoren das in der Abbildung dargestellte Konzept entwickelt: Die Montageschienen werden auf Holzbalken geschraubt, die den für eine spätere Dämmung der restlichen Fassade gewünschten Abstand herstellen. Der Bereich zwischen den Balken, zu dem nach Montage der Kollektoren kein Zugang mehr besteht, wird gedämmt und durch eine Unterspannbahn sowie gegebenenfalls oben durch eine Blechabdeckung vor Feuchtigkeit geschützt. Eine spätere Dämmung der gesamten Fassade kann dann seitlich an die Balken anschließen. Die PVT-Luft-Sole-Kollektoren benötigen auf der Rückseite eine gute Hinterlüftung, weshalb eine Integration in die Dämmhülle nicht möglich ist.