Solarwärme aus der Steckdose: Wärmepumpe oder Infrarotheizung oder beides?

Heizkonzepte mit fossilen Energieträgern sind ein Auslaufmodell, daher sind regenerative Alter­nativen gefragt. Im Online-Gespräch mit Dr. Berthold Kaufmann vom Passiv­haus Institut und Dirk Bornhorst von IR Integration und der Redaktion des Gebäude-Energieberaters geht es um Strom-Direktheizungen und Wärmepumpen.

Mit der bevorstehenden Gasknappheit infolge des Krieges in der Ukraine geraten bewährte und als versorgungssicher geglaubte Heizkonzepte hierzulande ins Wanken – der Ausverkauf von Heizlüftern in Baumärkten zeugt von der Hilf- und Ratlosigkeit. Kann denn eine Infrarotheizung in Wohngebäuden eine Ergänzung oder gar Alternative zur Wärmepumpentechnologie sein?

Bornhorst: Sich im Baumarkt einen Heizlüfter zu kaufen, um damit eine Wohnung zu beheizen, macht aktuell so wenig Sinn wie vor der Krise. Nein, eine Gas- oder Ölheizung sollte sinnvollerweise durch eine Wärmepumpe ersetzt oder – als schnelle Übergangslösung – um sie bis zum vollständigen Umstieg ergänzt werden, wenn man sich von fossilen Energieträgern lösen will. Die Wärmepumpe könnte aber kleiner ausfallen, wenn man die Infrarottechnologie nutzt, um die Spitzenlasten abzudecken. 70 Prozent des Heizwärmebedarfs übernimmt die Wärmepumpe und versorgt die Flächenheizung oder im möglichst gut gedämmten Altbau die Radiatoren mit niedrigen Vorlauftemperaturen, die restlichen 30 Prozent des Heizwärmebedarfs deckt die Infrarotheizung ab. Vornehmlich an den wenigen Tagen in den Wintermonaten, wo die Wärmepumpe wegen tiefer Temperaturen ein sehr hohes Temperaturdelta zu bewältigen hätte. Da landen manche Wärmepumpen leider bei der Arbeitszahl eins. Dann ist es eigentlich egal, ob ich direkt-elektrisch, also mit einem Heizlüfter oder mit einer Infrarot-Flächenheizung oder mit was auch immer heize.

Aber wie effizient wäre denn so eine Strom-Direktheizung in Anbetracht der Umwandlungs- und Übertragungsverluste?

Kaufmann: Rein physikalisch betrachtet wandeln Stromdirektheizungen mit dem Faktor eins zu eins die elektrische Energie in Wärme um. Bei der Wärmepumpe haben wir den Vorteil des günstigeren COP-Wertes. Dieser benennt das Verhältnis der durch die Wärmepumpe erzeugten Wärme zu der dafür nötigen Antriebsenergie, sprich Strom. Im günstigen Fall liegt dieser Wert bei 3:1 und höher. Abzuziehen wären dann natürlich noch die Verteilungsverluste über das Rohrleitungssystem, den Pufferspeicher und so weiter. Im Winter sind die Wärmeverteilverluste innerhalb der wärmegedämmten Gebäudehülle nutzbar für die Heizung. Nur die Verluste für die Warmwasserbereitung im Sommer sind verloren. Entscheidend ist letztendlich, wie hoch der Heizbedarf in einem Gebäude ist. Bei einem Passivhaus mit seinem geringen Heizwärmebedarf um 10 bis 15 kWh/(m²a) genügen dann eine ganz klein ausgelegte Wärmepumpe, und, sozusagen on top und wenn man will, die Spitzenlastdeckung durch Infrarotstrahlung.

Bornhorst: Herr Kaufmann, wenn Sie von einer Wärmepumpenheizung im klassischen Passivhaus sprechen, was für ein Wärmeübergabesystem ist damit verbunden?

Kaufmann: Wir haben mit den Wärmepumpen-Kompaktgeräten bei unseren Passivhäusern sehr gute Erfahrungen gemacht, was nebenbei ein sehr kostengünstiges Heizsystem ist. Mit dieser Kombination aus Wärmepumpe und Luftheizung benötige ich kein wassergeführtes Verteilsystem mehr. Klassische Wärmepumpen kommen hingegen nicht ohne wassergeführtes System aus, um die Wärme über eine Flächenheizung zu übertragen. So ein Luftheizungs-Konzept funktioniert allerdings nicht im unsanierten Altbau mit seinen 100 bis 200 Watt pro Quadratmeter. Ebenso wenig mit einer klassischen wassergeführten Flächenheizung und auch nicht mit einer Infrarotheizung alleine.

Bornhorst: Unsere Erfahrungen bei dem Forschungsprojekt IR Bau an der HTWG Konstanz zeigen, dass die Investitionskosten für ein Wärmepumpen-Heizsystem mit Flächenheizung bei einem sehr gut gedämmten Gebäude wie dem Passivhaus, einem KfW40- oder KfW55-Gebäude in der Regel in keinem Verhältnis mehr stehen zu dem Wärmebedarf, der überhaupt noch im Gebäude anfällt. Wenn Sie die Investitionskosten für eine Wärmepumpe plus Installation denen einer Infrarotheizung gegenüberstellen, bleibt genug Geld übrig für eine sehr große Photovoltaikanlage auf dem Dach und an der Südfassade, dank der Sie im tiefen Winter einen geringeren Netzbezug haben als bei einem Wärmepumpensystem ohne PV. Wird auch dem Wärmepumpensystem eine PV Anlage zur Seite gestellt, erhöhen sich wiederum die Investitionskosten, die Module des Infrarot-Photovoltaik-Systems könnten dann nochmals erweitert werden. Dieses technisch einfache System, das solarelektrische Haus, wie wir es nennen, kann aus wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten nicht mehr eingeholt werden.

Der Netzanschluss, und damit der Strombezug vom Energieversorger, ist dann aber trotzdem unerlässlich, um über den Winter zu kommen?

Bornhorst: Natürlich – wir streben keine Projekte mit hundert Prozent Autarkie an.

Kaufmann: Das ist auch nicht unser Ziel, Autarkie macht überhaupt keinen Sinn. Denn die letzten paar 100 Kilowattstunden werden richtig teuer, wenn man autark bleiben will. Da sind wir uns einig.

Bornhorst: Möglich wäre dies gebäudenah nur mit dem Umweg über die Brennstoffzelle, um damit Energie für den Winter zu speichern. Hier entsprechen aber der technische Aufwand und die Investitionskosten noch nicht unserem technisch einfachen solarelektrischen Ansatz. Würde man das Thema Windkraft in Deutschland mal richtig angehen, wäre das Thema regenerativer Winterstrom auch schneller gelöst.

Kaufmann: Wobei wir dann im unsanierten Gebäudebestand nach wie vor eine große Winterlücke hätten, die sich nicht ohne Weiteres direkt elektrisch decken ließe, wenn wir nicht die Kriterien für den Primärenergiebedarf reißen wollen. Schließlich stellt sich über den Winter ein deutlich schlechterer Primärenergiefaktor ein, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien oder Speichern stammt. Vor allem die kurzzeitigen Speichersysteme dürften selbst in naher Zukunft zu teuer sein, um die nötigen Kapazitäten im eigenen Haus zu bunkern. Momentan sind da kleine Wärmepumpensysteme mit Lüftungsanlage auch inklusive der Installationskosten noch klar im Vorteil. Vor allem wenn man die gesamten Lebenszykluskosten einbezieht – wer für ein gutes Heizkonzept etwas mehr Geld ausgibt, muss später weniger Energiekosten bezahlen und steht auch primärenergetisch besser da.

In Zeiten drastisch gestiegener Baukosten fehlt vielen Baufamilien dafür jedoch das Geld – da tut sich selbst ein versierter Energieberater schwer, seinen Kunden beim Beratungsgespräch von dieser Denkweise zu überzeugen.

Kaufmann: Ja, das ist richtig. Ist das Budget aufgebraucht, gehen die Möglichkeiten diesbezüglich gegen Null. Andererseits ist eine großflächige PV-Anlage auch nicht billig zu haben. Daher raten wir, zunächst überall dort zu investieren, wo man die Komponenten später nicht so einfach austauschen kann – wie zum Beispiel in die Gebäudedämmung oder Heizungsanlage mit ihrem Verteilsystem. Die reiße ich ja nicht in fünf Jahren wieder raus. Eine PV-Anlage dann irgendwann nachzurüsten, ist dagegen einfacher machbar. Man sollte einfach gut abwägen, ob man sich teure Armaturen fürs Badezimmer leisten will oder das Geld doch lieber in die Gebäudehülle steckt.

Bornhorst: Genau! Und das heißt neben der Dämmung aber auch: Wo ist PV in der Fassade möglich? Mit so viel PV wie irgend möglich kann ich es nämlich schaffen, von komplexen, teuren und wartungsintensiven Heizsystemen wegzukommen. Wenn man denn beim aktuellen Fachkräftemangel überhaupt einen Installateur findet, der einem auf die Schnelle so ein System installiert. Wir empfehlen einfach: Kabel statt Rohre, dafür dann aber massiv in die PV investieren. Das ist schlussendlich die einzige Investition am Bau, die eine echte Rendite erwirtschaftet! Bei einer klassischen Heizanlage kommen hingegen die Wartungskosten noch obendrauf.

Kaufmann: Naja, bei der Wärmedämmung halten sich Wartungskosten in Grenzen, bei der Lüftung sind diese Kosten minimal. Die Wärmedämmung und gute Fenster funktionieren indes das ganze Jahr über, speziell im Winter, wo mein Ertrag bei der PV-Anlage deutlich geringer ausfällt, selbst an der Fassade, wo sie senkrecht eingebaut die Wintersonne optimal zu nutzen versteht. So gesehen bringt die Investition in die Hülle auch eine Rendite: nämlich die Einsparrendite. Mit fünf Cent pro eingesparter Kilowattstunde reden wir hier nicht über Peanuts. Jedes Kilowatt Strom, das ich im Winter nicht brauche, muss ich nicht regenerativ erzeugen. In dem Zusammenhang würde mich interessieren: Mit welchen Gestehungskosten im Jahresmittelwert rechnen Sie für eine Kilowattstunde aus der Photovoltaik?

Bornhorst: Unsere solarelektrischen Projekte haben dieselbe Vergleichsbasis – die Dämmung ist ja heutzutage im Neubau mit KfW 55- bis KfW 40-Häusern gesetzt. Dann sind wir beim solarelektrischen Gebäude im Winter besser dran als mit einem wassergeführten Heizungssystem. Sie erwirken eine passive Rendite in Bezug auf den Heizwärmebedarf, wir hingegen eine aktive, die bares Geld bringt. Zudem umfasst der Energieverbrauch eines Gebäudes mehr. Stichwort Graue Energie. Wir fokussieren uns auf den systemischen Ansatz, nehmen bei unseren Bilanzen alle Sektoren mit, nicht nur die Raumwärme.

Kaufmann: Klar, das kann man alles mitdenken. Wir sind in jedem Fall dafür, das Gebäude auch mit einer PV-Anlage zu bestücken. Wobei diese Installation nicht sofort gemacht werden müsste. Und was den Haushaltsstromverbrauch angeht: Eine sparsame vierköpfige Familie kommt mit effizienten Geräten auf einen Verbrauch von etwa 2000 kWh, anstatt der im Mittelwert typischen 3500 kWh im Jahr. Das ist ein Offset, den müssen sie mit der PV-Anlage erstmal erwirtschaften. Elektromobilität würde ich gerne außen vor lassen. Alles das mit PV auf dem eigenen Grundstück erwirtschaften zu wollen, bringt einen schnell an die Grenzen. Heizung, Trinkwarmwasser und Haushaltsstrom sind Herausforderung genug – das berechnen wir alles mit dem PHPP. Selbstverständlich und gerne mit PV-Anlage.

Wenn bei einer direktelektrischen Heizung der Installationsaufwand für ein Rohrleitungsnetz komplett entfällt. Wie sieht es dann mit der Trinkwarmwasserversorgung aus?

Bornhorst: Sie benötigen immer irgendwo Wasser im Gebäude. Aber eben nicht, um damit zu heizen. Das Trinkwarmwasser erzeugen wir mit effizienten Systemen, also einer Trinkwasser-Wärmepumpe oder, wenn es unbedingt sein muss, einem Durchlauferhitzer, wobei der natürlich wegen seiner hohen Anschlussleistung nicht für PV geeignet ist.

Wie würden Sie denn den Komfort einer Infrarotheizung gegenüber einer Flächenheizung, sei es Wand- oder Fußbodenheizung oder eben auch die Frischluftheizung im Passivhaus, einordnen?

Bornhorst: Eine Strom-Direktheizung mit Infrarottechnologie ist – anders als die früheren Nachtspeicherheizungen – ein sehr flexibel regelbares und schnell reagierendes Heizsystem mit digitalen Thermostaten, die zentral über ein Smart Home System im Wochenplan eingestellt werden können oder schlussendlich sogar auf Präsenz orientiert heizen. Jede Heizung, die primär die Luft als Medium zur Raumerwärmung nutzt, trocknet diese entsprechend aus. Ein Problem, das auch bei Passivhäusern mit Luftheizung auftritt. Würde man stattdessen auf eine Infrarotheizung setzen und damit die Oberflächen erwärmen, anstatt die Luft, könnte diese tendenziell etwas kühler sein, da diese sich ja nach und nach über die erwärmten Oberflächen passiv aufheizt.

Aber sind Infrarotheizungen nicht eher punktuell ausgerichtet? Wie erreiche ich damit den Komfort einer Flächenheizung?

Bornhorst: Eine Infrarotheizung sollte immer so ausgelegt werden, dass man sie eben nicht punktuell spürt. Natürlich ergäbe eine Infrarotheizung mit sehr hoher Oberflächentemperatur um 200 °C eine unangenehme Strahlungsasymmetrie, weshalb solche Temperaturen nicht für niedrige Räume geeignet sind. Daher braucht es in Wohnungen mehrere IR-Paneele an Decke und/oder Wand.

Kaufmann: Viele Bewohner bevorzugen eine Fußbodenheizung, auch weil sie diesen Komfort gewohnt sind. Ist die Gebäudehülle sehr gut gedämmt, entsprechen die Oberflächentemperaturen im Raum ungefähr der Lufttemperatur – im Idealfall 20 bis 22 °C. Damit erübrigt sich die Frage, ob ich überhaupt eine Flächenheizung brauche, denn sie benötigt somit praktisch keine Leistung mehr. Auch die negativen Effekte durch das Aufheizen der Luft, die Sie vorhin genannt haben, Herr Bornhorst, gibt es nicht, wenn ich nur so wenig Luft einbringe, wie ich zum hygienischen Lüften benötige; also pro Person etwa 30 m³/h. Aus diesem Grund argumentieren wir seit Jahren gegen die Normen, die nach wie vor unnötig hohe Luftwechsel fordern.

Bornhorst: Eine IR-Heizung ist für uns keine Flächenheizung. Jede Flächenheizung, die wir im Boden oder an der Wand einbauen, bedingt Investitionskosten und verursacht irgendwann auch Wartungskosten. Das stört mich als Wirtschaftsingenieur schon länger bei den effizienten Passivhäusern und KfW 40- und KfW 55-Standards. Mit IR-Heizungskonzepten sparen Sie teilweise bis zu 30 % Bauzeit ein, unter anderem, weil bei uns kein Heizestrich trocknen muss. Bei uns verlegt der Elektriker die Kabel und befestigt die Paneele an Decke und Wand, das war’s.

Lassen sich mit der Software der Energieberater die zu berechnenden Konzepte für Strom-Direktheizungen wie die IR-Technologie bereits ermitteln? Und wie sieht es bei Fragen zur Förderung aus?

Bornhorst: Bis vor ein paar Jahren hatten wir bezüglich Software tatsächlich einige Probleme. Mittlerweile ist aber jede gängige Software auf dem Stand, um Infrarotheizungen oder direktelektrische Heizsysteme ohne Probleme darstellen zu können. Im Fokus steht bei Beratungen leider oftmals das, was am meisten gefördert wird – die Gesamtkosten, sprich auch Wartungskosten und Betriebskosten, bleiben dabei leider völlig außer Acht. Ein Infrarot-Heizungssystem ist als technisch einfache Lösung der Katalysator für bauwerksintegrierte PV, sowohl auf dem Dach als auch an der Fassade.

Abschließende Frage: Welche Entwicklungen sind in absehbarer Zeit bei der IR-Technologie zu erwarten?

Bornhorst: Die Infrarotheizungsindustrie gibt es nun bald schon 20 Jahre. Mit eine der wichtigsten Entwicklungen war zuletzt bei der Normung zu verzeichnen – mehr als acht Jahre hat es gedauert, um die DIN 60675-3 auf den Weg zu bringen. Sie ist seit letztem Jahr in Kraft und beschreibt das Messverfahren, wie der Strahlungswirkungsgrad einer Infrarotheizung zu messen ist. Mit diesem genormten Messverfahren ist definiert, dass nur dann eine Infrarotheizung vorliegt, wenn sie verfahrenskonform mindestens 40 % Strahlungswirkungsgrad erreicht. Eine Infrarotheizung, die nach hinten schlecht oder gar nicht gedämmt ist, schafft diesen Strahlungswirkungsgrad in der Regel nicht. Das wird die Spreu vom Weizen trennen und den Markt insgesamt nach vorne bringt – davon bin ich überzeugt.

Kaufmann: Ein wichtiger Punkt! Denn ein IR-Paneel, das an der Innenseite der Außenwand montiert ist, wärmt das Bauteil unmittelbar an der Grenze zur Außenhülle auf und erhöht damit im Zweifel die Transmissionswärmeverluste. Umso wichtiger, dieses Paneel nach hinten sehr gut zu dämmen! Wir vom Passivhaus Institut vertreten die Auffassung, dass die Wärmepumpensysteme am Markt noch deutlich verbessert werden können. Sie sind zum Teil auch noch viel zu teuer. Unser Team unterstützt die Hersteller gerne dabei. Außerdem sollte für jedes Gebäude – egal welches Heizkonzept verfolgt wurde – eine ehrlich gerechnete primärenergetische monatliche Energiebilanz erstellt werden. Nur dann können wir vergleichen, was uns die geringeren Investitionskosten und die einfachere Installation wert sind. Unabhängig davon ist eine sehr gute Gebäudehülle mit guten Fenstern und kontrollierter Lüftung mit Wärmerückgewinnung eine Grundvoraussetzung, um die Verluste so gering wie möglich zu halten. Dann ist es in vielerlei Hinsicht egal, wie ich heize.

Herr Dr. Kaufmann, Herr Bornhorst – ich bedanke mich bei Ihnen für das aufschlussreiche und lebhafte Gespräch!