Familie Griffig in der Aachener Parkstraße, die ihr 200 m2 großes Einfamilienhaus von 1976 in den Jahren 2023/24 auf KfW 55 sanierte – unter anderem Ölkessel mit Radiatoren raus und Fußbodenheizung rein – überraschte vor allem die Fremdstromrechnung für die Wärmepumpe, die weitaus geringer ausfiel als erwartet. Zum Einbau des Buderus-Aggregats mit 10,4 kW ist anzumerken, dass die gewählte Anlagenkonfiguration von der üblichen Systemkombination abweicht, selbst der Aufstellort im Haus inklusive Verdampfer weicht von den gewohnten Installationsplätzen ab. Der Anspruch an eine ansprechende Optik prägte die Ausführung maßgeblich. Die Installation wurde vom Fachhandwerk schalltechnisch optimiert, sodass nach Betreiberangaben im Betrieb keine Geräuschentwicklung wahrnehmbar ist.
Fernkontrolle möglich
Die PV-Zellen von rund 10 kW passte der Planer der Leistung der Wärmepumpe an. Das Schaltschema ist so ausgelegt, dass der Dachabsorber zunächst auf die Wärmepumpe wirkt. Besteht im Moment kein Heizbedarf, fließt der Strom in die Batterie von Fronius (7,68 kWh Speicherkapazität). Sollte diese voll sein, übernimmt der Puffer über einen Heizstab den kostenlosen Solarstrom in Form von Wärme.
Der Speicher ist sowohl für die Heizung als auch mithilfe einer Frischwasserstation für die Warmwasserbereitung zuständig. Erst wenn der 1000-l-Behälter ebenfalls keine Kapazität mehr anbietet, schiebt das Energiemanagement die Sonnenenergie ins öffentliche Netz, da eine Einspeisung am wenigsten lukrativ ist. Der Wärmeerzeuger soll deshalb möglichst von der eigenen Elektrizitätsproduktion profitieren.
Der Verbrauchsregler der Anlage übernimmt die Optimierung, indem er die Beladung der Energie intelligent steuert. Dabei kommt der Fronius Ohmpilot zum Einsatz, der zusammen mit einem Wechselrichter desselben Herstellers arbeitet. Die Elektronik des Systems erfasst alle wichtigen Daten und stellt sie bei Bedarf auf mobilen Geräten wie Smartphone oder Tablet zur Verfügung. Der Nutzer behält auf diese Weise seine Solaranlage stets im Blick und kann ggf. reagieren.
Überraschende Stromersparnis
Der wassergeführte Kaminofen Varia 2Lh H20 von Spartherm entspricht mit seinen 10 kW ebenfalls der Leistung der Wärmepumpe und trägt erheblich zur Stromersparnis bei. Bleibt er bei Abwesenheit der Bewohner ausgeschaltet, pendelt sich der Tagesverbrauch des Hauses bei 40 bis 50 kWh ein. Bei Betrieb verbraucht die Wärmepumpe weniger als 20 kWh. Die Bewohner gehen von etwa einem Drittel des Strombedarfs bei Feuer im Ofen aus, während die Wärmepumpe lediglich zuheizt.
Holz ist jedoch ebenfalls mit Kosten verbunden, und bei seiner Verbrennung wird der enthaltene Energiegehalt lediglich eins zu eins in Wärme umgewandelt. Eine Wärmepumpe arbeitet dagegen deutlich effizienter und kann etwa das Vierfache an Wärme erzeugen. Daher liegt die Vermutung nahe, dass die Einsparungen begrenzt sind. Letztlich gleichen sich die Kosten jedoch weitgehend aus. Bei der Entscheidung für den wassergeführten Kamin stand die Wirtschaftlichkeit ohnehin nicht im Vordergrund. Ausschlaggebend waren vielmehr das Knistern des Feuers, das Flammenspiel und der damit verbundene gemütliche Wohnkomfort. Die Einsparungen ergeben sich eher nebenbei und waren nicht das eigentliche Ziel.
Ein offener Kamin wäre beispielsweise zwar in der Anschaffung deutlich günstiger gewesen, jedoch sprechen mehrere Aspekte dagegen. Zum einen liegt sein Wirkungsgrad mit etwa 20 % vergleichsweise niedrig, da ein Großteil der erzeugten Wärme über den Schornstein verloren geht. Wassergeführte Systeme erreichen laut Herstellerangaben hingegen Wirkungsgrade von 80 % und mehr, wobei rund 60 % der Energie in das Heizwasser und etwa 40 % in den Aufstellraum abgegeben werden. Zum anderen tragen offene Kamine weder zur Beheizung angrenzender Räume noch zur Warmwasserbereitung bei. Zudem kann es zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung kommen, bei der der Aufstellraum überhitzt, während benachbarte Räume kühl bleiben. Darüber hinaus entsprechen die vergleichsweise hohen Emissionen offener Kamine vielfach nicht den aktuellen Anforderungen an moderne Feuerstätten.
Nur ein paar Scheite mehr
Das Haus ist nach KfW-55-Standard gut gedämmt. Selbst bei Außentemperaturen bis –10 °C muss die Wärmepumpe mit mäßigem Wirkungsgrad arbeiten, um die Fußbodenheizung und noch ineffizienter das Warmwasser zu versorgen. Der Kamin hingegen erreicht dank der dicken Fassadendämmung schon mit wenigen Scheiten eine hohe Raumluftbehaglichkeit. Seine Wärmeabgabe genügt, um ein angenehmes Raumklima zu schaffen, und bei besonders kalten Temperaturen zeigt sich sein Vorteil gegenüber der Wärmepumpe besonders deutlich. Auf zusätzliches Lüften kann verzichtet werden, da eine dezentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung für Frischluft sorgt. Der größte Teil der Wärmeverluste entsteht nach Erfahrung der Bewohner vor allem beim Duschen.
Die weitgehend luftdichte Bauweise des Gebäudes mit einer dezentralen Be- und Entlüftung als Ausgleich zwang zu einer ergänzenden technischen Maßnahme, nämlich zur Installation eines Unterdruckwächters als Sicherheitseinrichtung: Bei einem Unterdruck im Raum schaltet dieser die Lüftungsanlage automatisch aus und öffnet eine externe Luftzufuhr. Der Unterdruck kann entstehen, wenn der Ventilator zu viel Raumluft absaugt, denn die Abgase des Kaminofens könnten dann nicht mehr über den Schornstein hinausströmen, sondern strömen zurück in das Wohnzimmer.
Das Problem mit der Wärmespeicherung
Der Umbau des Hauses hatte insgesamt neun Monate gedauert, wobei die Wasser-Fußbodenheizung mit Austrocknen des Estrichs die meiste Zeit beanspruchte. Ursprünglich war deshalb auch eine elektrische Variante der Flächenheizung im Gespräch, die jedoch aufgrund ihrer geringeren Speicherfähigkeit ausschied. Da die Kabel direkt unter dem Bodenbelag im Fliesenkleber oder in einer dünnen Ausgleichsschicht liegen, fehlt die Masse, um Wärme langfristig zu speichern. Im Objekt in Aachen hätte es deshalb eines größeren Pufferspeichers als des aufgestellten 1000-l-Speichers bedurft, der sich jedoch im Technikraum nicht unterbringen ließ.
Einbauhilfe erhielt der in der Parkstraße aktive Aachener Heizungsbauer Michael Grümmer von Buderus. Die Mitarbeiter planten den Hybrid und nahmen ihn in Betrieb. Ebenfalls stand die Hückelhovener Firma HG Baunach dem Anlagenbauer zur Seite, die sich mit innovativer Hydraulik für Heizungsanlagen befasst. Um die Jahrtausendwende herum stellte die Gesellschaft erstmals mit dem Rendemix einen Mehrwegemischer vor, der den Rücklauf eines Hochtemperatur-Radiatorkreises als Vorlauf einer Niedertemperatur-Fußbodenheizung nutzbar macht.
Reihen- statt Parallelschaltung
Statt jeden Heizkreis separat aus dem Kesselvorlauf zu versorgen, verbindet Rendemix die Heizkörper und die Fußbodenheizung in einer Hintereinanderschaltung, sodass der Rücklauf der Radiatoren direkt in den Vorlauf der Fußbodenheizung fließt. Die Armatur gleicht dabei die unterschiedlichen Wasservolumina automatisch über einen inneren Bypass aus. Auf diese Weise werden sowohl die Rücklauftemperatur zum Wärmeerzeuger als auch der Wasserumlauf gegenüber klassischen Systemen gesenkt. Dadurch kann die Kondensationswärme von Brennwertkesseln effektiv genutzt werden, die in der Praxis oft wegen zu hoher Rücklauftemperaturen verloren geht. Gleichzeitig ermöglicht das System, dass ein Pufferspeicher bei gleichem Volumen mehr Wärme aufnehmen kann, was besonders für Anlagen mit Solarthermie von Vorteil ist.
Zwei- statt Ein-Zonen-Beladung
Die Hydraulikexperten erweiterten die Anwendungsmöglichkeiten ihres Mehrwegemischers, indem sie den Anschluss für das warme Rücklaufwasser der Heizkörper mit dem mittleren Anschluss eines Pufferspeichers verbanden, in dem sich bevorzugt das warme Mischwasser sammelt. Dieses warme Wasser kann beim Beladen des Speichers nach unten gedrückt werden, wodurch steigende Rücklauftemperaturen den Wärmeerzeuger vorzeitig abschalten. Beim Entladen des Speichers wird das Wasser nach oben gehoben, was durch eine Absenkung der Verbraucher-Vorlauftemperatur zu einem vorzeitigen Wiedereinschalten des Erzeugers führen kann. Nutzt man den Mehrwegemischer jedoch, um die Rücklauftemperatur gezielt anzuheben, verbessert sich die Schichtung im Puffer deutlich. Dies führt zu längeren Lauf- und Pausenzeiten des Wärmeerzeugers und steigert sowohl seine Wirtschaftlichkeit als auch seine Lebensdauer.
Doch neben Effizienz und Lebensdauer des Wärmeerzeugers steigt auch der Komfort des Nutzers, denn der Speicher bleibt bei der Beladung unten nicht nur länger kalt, sondern wird oben auch schneller heiß, was vor allem der Warmwasserbereitung zugutekommt: Schon die erste Kalorie aus dem Kaminofen entlastet die Wärmepumpe spürbar von ihrer schwersten Arbeit.
Thermostatische Abbrandregelung
Gut ein Jahrzehnt später verbesserte Baunach die Anlagenhydrauliken vieler seiner Kunden zusätzlich durch die Einführung thermostatischer Regelventile. Nachdem der Firma bereits ein guter Ruf vorausgeeilt war, galt es, weitere Fehler in hydraulischen Netzen auszumerzen, die dem Gesamterfolg hätten gefährlich werden können.
Einer von ihnen beruht auf der Tatsache, dass ein Kaminofen nur chargenweise befeuert wird und deswegen eine schwankende Wärmeleistung erzeugt. Da er aber bei konstantem Durchfluss mit einer konstanten Rücklauftemperatur betrieben wird, hat dies eine ebenfalls schwankende Vorlauftemperatur zur Folge. Hat man also mit dem letzten Holzscheit den Puffer oben auf 80 °C gebracht und legt nicht rechtzeitig nach, kann die Vorlauftemperatur zum Puffer auch auf 70 °C oder sogar 65 °C absinken, was wiederum zu einer Vermischung unterschiedlicher Temperaturen im Puffer und somit zu einer Schwächung der Schichtung und einer Verringerung der im Puffer vorgehaltenen Wärmemenge führt. Dieses Problem löste HG Baunach mit seinem Vorlauf-Temperatur-Regler „VTR 60-90 Heizwert-Set“, der bei schwankenden Leistungen des Kaminofens die Vorlauftemperatur konstant hält: Bei fortschreitendem Abbrand reduziert sich dann die Wassermenge zum Puffer und die Schichtung bleibt erhalten.
Stabile Schichtung – stabiler Lauf
Insbesondere der kalte Rücklauf aus dem Heizkreis im Bodenbereich des Speichers kommt einer hohen Arbeitszahl zugute, denn Wärmepumpen arbeiten nun mal am effizientesten, wenn das Wasser aus dem Heizkreis kühl in die Maschine zurückfließt. Die Entnahme aus der Kaltwasserzone begünstigt bei der geringen Spreizung der Fußbodenheizung lange Laufzeiten der Wärmepumpe und führt zu einem stabilen Modulationsbetrieb. Das schädliche Takten wird so auf ein Minimum reduziert.
Wärmepumpe deckt Grundbedarf
Ein Maximum an Effizienz holt man aus der Technik nur heraus, wenn sämtliche Daten transparent sind und man sich mit der idealen Fahrweise beschäftigt. Durch die Kombination verschiedener Komponenten mit jeweils eigenen Apps – als Beispiel die Heizungs-App von Buderus und die PV-App von Fronius – gibt der Display des Computers nicht gleich ein Gesamtbild wieder. Der Bauherr Maximilian Griffig blieb hier hartnäckig, bis er bekam, was er wollte.
Die wassergeführte Anlage weist eine systembedingte Trägheit auf; eine spontane Leistungsbereitstellung der Wärmepumpe ist nicht gegeben. Der Kaminofen zur Beladung der Heißwasserzone benötigt rund zwei Stunden, um die oberen 500 l im Speicher von etwa 50 °C auf ca. 80 °C anzuheben. Während dieser Phase arbeitet die Wärmepumpe im Heizbetrieb durchgängig weiter. Sie deckt einen konstanten Grundbedarf von rund 1,2 bis 1,3 kW, gespeist aus dem PV-Eigenstrom – eine typische Betriebsweise hybrider Anlagen. Sobald der Kaminofen die Warmwasserzone vollständig geladen hat, wird die überschüssige Wärme in den Heizbetrieb überführt. Da er überwiegend bei niedrigen Außentemperaturen und fehlender Sonneneinstrahlung betrieben wird, senkt er insbesondere dann den Bedarf an teurem Netzstrom.
Bild: Baunach
- Die Kombination aus Wärmepumpe, wassergeführtem Kaminofen und PV erfordert eine abgestimmte Systemplanung mit Pufferspeicher und Energiemanagement.
- Die PV-Anlage priorisiert die direkte Versorgung der Wärmepumpe, danach Batteriespeicherung und schließlich Umwandlung in Wärme über einen Heizstab.
- Ein wassergeführter Kaminofen reduziert den Stromverbrauch der Wärmepumpe signifikant, indem er thermische Energie in den Pufferspeicher einspeist.
- Die Zwei-Zonen-Beladung des Puffers verbessert die Temperaturschichtung und erhöht Effizienz, Laufzeiten und Lebensdauer der Wärmeerzeuger.
- Konstante Vorlauf-temperaturen des Kaminofens stabilisieren die Schichtung im Speicher und verhindern Effizienzverluste durch Durchmischung.
- Niedrige Rücklauftemperaturen aus der Fußbodenheizung erhöhen die Arbeitszahl der Wärmepumpe und reduzieren taktungsbedingte Verluste.
