Heizen

Nachhaltig heizen: Wärmepumpe mit Solarstrom betreiben

Wärmepumpe und Photovoltaik kombinieren

Foto: Pixabay

Wärmepumpen erzeugen Heizwärme aus erneuerbaren Energien wie Luft, Wasser oder Erdwärme - sie brauchen aber Strom als Antriebsenergie. Wer die Wärmepumpe mit Solarstrom vom eigenen Dach betreibt, heizt konsequent ökologisch und macht sich unabhängig vom öffentlichen Stromversorger. Wir zeigen am Beispiel eines Einfamilienhauses, wie das funktioniert und worauf Sie achten sollten.

Das erfahren Sie in diesem Artikel:

  1. Sonnenenergie sorgt für "grünen Strom"
  2. Hoher Autarkiegrad und niedrige Energiekosten
  3. Ideal für Neubauten
  4. Wie funktioniert ein solarbetriebenes Wärmepumpensystem?
  5. Batteriespeicher und Wärmespeicher als sinnvolle Ergänzung

Sonnenenergie sorgt für "grünen Strom"

Das "Sonnenhaus Starnberg", über das wir in unserer Baureportage berichten, wird seit September 2018 im Landkreis Starnberg gebaut. Die Besonderheit: Hier wird größtenteils Sonnenenergie zur Energieerzeugung genutzt. Dafür sorgt eine große Photovoltaikanlage auf dem Dach des Hauses.

So wird das „Sonnenhaus Starnberg“ aussehen. Das Dach wird auf der Südseite fast komplett mit Photovoltaikmodulen bestückt.
Grafik: Bernd Kerscher

Die hauseigene Photovoltaikanlage produziert genügend Solarstrom, um nicht nur den Haushalt, sondern auch die die Wärmepumpe mit „grünem Strom“ zu betreiben. „Nur so ist das Heizen mit einer Wärmepumpe ökologisch“, erklärt Bernd Kerscher. Er ist Architekt aus Freising und hat das "Sonnenhaus" geplant.

Das Energie- und Heizungssystem des Hauses setzt sich aus den folgenden Komponenten zusammen:

  • Photovoltaikanlage mit Salzwasser-Batteriespeicher (10 kWh)
  • solarstromgeregelte Luft-Wärmepumpe (11 KW)
  • Warmwasserspeicher (3000 Liter)
  • Kaminofen, ohne Wärmetauscher
  • durchgehend Fußbodenheizung
  • dezentrale Lüftung mit Wärmerückgewinnung

Drei Kriterien muss ein Gebäude erfüllen, damit es nach den Richtlinien des Sonnenhaus Instituts als "Sonnenhaus" gilt:

  1. Mindestens 50 Prozent des Heizenergiebedarfs müssen mit Solarenergie gedeckt werden.
  2. Niedriger Primärenergiebedarf von maximal 15 Kilowattstunden pro Quadratmeter Gebäudenutzfläche und Jahr (kWh/m²a).
  3. Gute Dämmung, um den Energiebedarf auf ein Minimum zu reduzieren.

Hoher Autarkiegrad und niedrige Energiekosten

Strom von der Sonne, Wärme aus der Luft – die Bauherrin verspricht sich davon vor allem eines: Weitgehende Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromversorger und damit verbundene niedrige Energiekosten. Mit einer Kilowattstunde Solarstrom von Dach lassen sich im besten Fall vier Kilowattstunden thermische Energie aus der Wärmepumpe holen.

Die Dimensionierung der PV-Anlage wird entsprechend der Leistung der Wärmepumpe ausgelegt. Grundlage für Planung und Dimensionierung solcher Kombianlagen ist die Heizlastberechnung des Hauses. Nur wenn die Leistung der PV-Anlage nicht ausreichen sollte, muss die Bauherrin Strom aus dem öffentlichen Netz dazukaufen.

Durch das solarbetriebene Wärmepumpen-System erreicht das Haus einen hohen Autarkiegrad: So kann die Bauherrin 62 % ihres Wärmebedarfs solar decken, beim Haushaltsstrom soll sie einen Autarkiegrad von 93 % erreichen. Selbst den Akku eines Elektroautos könnte sie mit eigenem Sonnenstrom laden.

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Ideal für Neubauten

Die solarstromgeregelte Luft-Wärmepumpe (11 KW) ist aufgestellt.
Foto: Bernd Kerscher

Mit ihrer Wärmepumpenheizung liegt die Bauherrin im Trend. 70% aller Einfamilienhäuser, die mit erneuerbaren Energien beheizt werden, setzen auf Wärmepumpen. Bei der Beheizung neuer Wohngebäude lagen erneuerbare Energien im Jahr 2018 auf Platz 1 und lösen zunehmend die konventionellen Energieträger ab.

Wärmepumpen sind effizient und eignen sich vor allem für Neubauten und gut gedämmte Altbauten. Der Vorteil: Für den Betrieb einer Wärmepumpe braucht man nur relativ kleine Leistungen. An den meisten Tagen wird genügend PV-Strom produziert, um die Wärmepumpe ausschließlich mit diesem Strom zu betreiben.

Gute Dämmung ist Voraussetzung

Das Sonnenhaus Starnberg ist gedämmt mit Holzweichfaser.
Foto: Bernd Kerscher

In Neubauten können Wärmepumpen ihre Stärken voll ausspielen: Der Heizbedarf ist aufgrund der guten Dämmung gering.

Beim Sonnenhaus Starnberg wird bei der Dämmung voll auf den nachhaltigen Baustoff Holz gesetzt:

  • Fassadendämmung: Massivholzaußenwand + Holzweichfaserdämmung (16 cm dick) + Holzverschalung
  • Dachdämmung: Massivholzdach + Holzweichfaserdämmung (18 cm dick).
  • Fenster: passivhaustaugliche Holz-Alufenster: Uw 0,72 W/(m2 K)

Ökologische Dämmstoffe sind eine gute Alternative zu den klassischen Dämmstoffen. Hier finden Sie einen Überblick über die wichtigsten ökologischen Dämmstoffe, die verwendeten Rohstoffe, die Einsatzgebiete und die gesundheitliche Bewertung.

Optimale Kombination mit Fußbodenheizung

Verlegung der Fußbodenheizung im Sonnenhaus Starnberg
Foto: Bernd Kerscher

Für eine möglichst effiziente solare Heizung, und auch für Wärmepumpen, sind niedrige Vorlauftemperaturen wichtig. Optimal ist deshalb die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Fußbodenheizung, deren Systemtemperaturen nur bei rund 35 Grad liegen. Unter solchen Bedingungen benötigen Wärmepumpen nur wenig elektrische Anschubenergie.

Dafür muss eine entsprechend große Heizfläche zur Verfügung stehen, wie es bei der Fußbodenheizung (aber auch bei Wandheizungen) der Fall ist. Die meisten neuen Häuser haben eine Flächenheizung, die eine Vorlauftemperatur von nur 30 bis 40 Grad benötigt. Der Rohrdurchmesser und deren Verlegeabstand muss auf das Heizkonzept und die Heizlast der Räume abgestimmt sein.

Funktionsweise Photovoltaik-Anlage
Häufig kombiniert: Photovoltaik und Solarthermie. Photovoltaik erzeugt Strom (schwarz dargestellt), Solarthermie erzeugt Wärme, indem eine Wärmeträgerflüssigkeit beständig zirkuliert (rot und blau dargestellt).
Foto: iStockphoto/Marc Osborne

Wie funktioniert ein solarbetriebenes Wärmepumpensystem?

Damit die Wärmepumpe weiß, wann genügend Strom aus der Photovoltaik-Anlage zur Verfügung steht, kommunizieren beide Geräte über den sogenannten Wechselrichter miteinander. Umgekehrt gibt die Wärmepumpe eine Rückmeldung, welche Vorlauftemperaturen gerade benötigt werden. Die Wärmepumpe erzeugt anschließend Heizenergie und Warmwasserenergie für das Haus.

Der Wechselrichter ist eine Art intelligente Schnittstelle zwischen den beiden Geräten. Diese zentrale Steuereinheit wandelt nicht nur den erzeugten Gleichstrom aus der PV-Anlage in haushaltsüblichen Wechselstrom um, sondern koordiniert auch die Versorgung des Hauses mit Haushaltsstrom, versorgt die Wärmepumpe mit Strom und leitet überschüssige Energie an den Batteriespeicher.

Photovoltaik und Wärmepumpe kombiniert
Foto: epr/Mitsubishi Electric

Überschüssige Wärme wird in einem Warmwasserspeicher gespeichert, überschüssiger Strom in einem Akkuspeicher, um ihn zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen, wenn die PV-Anlage keinen Strom mehr produziert.

Batteriespeicher und Wärmespeicher als sinnvolle Ergänzung

Damit der Solarstrom auch zeitversetzt genutzt werden kann, kommt beim "Sonnenhaus Starnberg" ein ökologischer 10 kW-Salzwasserbatteriespeicher zum Einsatz (Bluesky Energy, aus Österreich). Diese Batterie kommt ohne seltene Erden oder giftige Elemente aus. Sie passt zum nachhaltigen Grundkonzept des Hauses und ist in etwa preisgleich.

Ein Batteriespeicher kann den Solarstrom auf Vorrat halten, so dass zeitliche Lücken zwischen der Gewinnung und dem Verbrauch überbrückt werden können. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn abends nach Sonnenuntergang geheizt wird. Oder im Winter: Hier ist der Solarertrag niedriger, während die Wärmepumpen-Heizung den meisten Strom benötigt. In solchen Fällen muss Strom aus dem Netz dazugekauft werden.

Rund die Hälfte aller PV-Anlagen werden mit Speicherbatterien kombiniert. Wann lohnt sich ein Speicher, wann lohnt er sich nicht? Und wenn ja, welcher Speicher ist am sinnvollsten? »Photovoltaik-Anlage: Mit oder ohne Speicher?

Die Wärme wird beim Sonnenhaus in einem 3.000 Liter-Warmwasserspeicher zwischengespeichert. Hier sehen wir den Aufbau des Pufferspeichers im Heizraum.

Links: Die Holzdecke über dem Heizraum wird abgenommen. Mitte: Der Speicher wird in den Heizraum eingefädelt. Rechts: Pufferspeicher im Heizraum mit Installation
Fotos: Bernd Kerscher

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