ITG Studie bestätigt: Heizen mit Strom ist eine zukunftsfähige Alternative
Im Neubau ist die Flächenheizung, eingebaut in Fußboden, Wand oder Decke, die erste Wahl, denn das gleichmäßige Abstrahlverhalten sorgt jederzeit für behagliches Wohlbefinden. Auch die elektrische Flächenheizung erlebt, aufgrund der Verringerung des Heizbedarfs durch geschaffene gesetzliche Rahmenbedingungen, einen Aufschwung.
Niedrigenergiehäuser können heute mit einer elektrischen Flächenheizung und Photovoltaik-Anlage behaglich, wirtschaftlich und mit großer Zukunftssicherheit beheizt werden, da man nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen ist.
Um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der elektrischen Flächenheizung in Kombination mit weiterer Anlagentechnik für Niedrigenergiehäuser verbindlich zu beurteilen, hat der BVF eine fundierte Studie durch das ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden in Auftrag gegeben. Diese belegt, dass die elektrische Flächenheizung in sehr gut gedämmten Gebäuden eine Alternative als Vollheizung zu anderen gängigen Heizsystemen ist und nicht mehr nur als Zusatztemperierung dient. Dabei steht die jeweilige Heizung nicht für sich allein, erst in Kombination mit Anlagentechnik wie zum Beispiel einer zentralen Zu-/Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung kann das Effizienzpotential des Heizsystems voll ausgeschöpft werden. Insgesamt also ein zukunftsfähiges System.
„In Niedrigenergiehäusern bieten sich für die elektrische Flächenheizung sehr sinnvolle Einsatzmöglichkeiten in einer Technologiekombination mit einem hohen baulichen Wärmeschutz (KFW 55 oder besser), einer Photovoltaik-Anlage mit möglichst großer Kollektorfläche sowie einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung. Ergänzt werden kann dieses Technologiepaket noch um einen Stromspeicher, der für die Erreichung eines KFW 40 plus Standards zwingend ist“, (Michael Muerköster, Vorsitzender des BVF Arbeitskreises elektrische Flächenheizung)
Grundlegende Randbedingungen der Studie
Die Studie „Energetische Effizienz und Wirtschaftlichkeit der elektrischen Direktheizung“ bringt interessante Erkenntnisse auf Basis detaillierter vergleichender Berechnungen und Analysen aus Sicht der Effizienz (Studie Teil 1) und der Wirtschaftlichkeit (Studie Teil 2) für unterschiedliche Anlagenvarianten. Dies sind Anlagenkombinationen mit Gasbrennwertheizung, Luft-Wasser-Wärmepumpe und Systemkombinationen mit elektrischer Direktheizung. Bei allen verglichenen Systemen wurde eine Fußbodenheizung zu Grunde gelegt, da diese im Neubau eine hohe thermische Behaglichkeit in Verbindung mit hoher energetischer Effizienz bietet.
Die energetische und wirtschaftliche Bewertung der Stromdirektheizung wurde anhand der elektrischen Flächenheizung analysiert. Nachtspeicheröfen, elektrische Heizkörper oder elektrische Heizlüfter sind aufgrund ihrer Andersartigkeit in der Studie nicht behandelt worden. Als grundlegende Randbedingungen der Studie wurden natürlich die komplexen rechtlichen und normativen Vorgaben berücksichtigt.
Im Rahmen der Studie wurden zwei Gebäudetypen berücksichtigt und mit genauen Maßen definiert:
- ein freistehendes Einfamilienhaus, Wohnfläche 150 qm
- ein Reihenmittelhaus, Wohnfläche 125 qm
Der bauliche Wärmeschutz der Gebäude entspricht je nach betrachtetem Effizienzstandard der baulichen Mindestanforderung für das KfW-Effizienzhaus 55, KfW-Effizienzhaus 40 und 40 Plus. Es wurde immer mit einem einheitlichen baulichen Wärmeschutz innerhalb eines Effizienzstandards gerechnet.
Sechs Anlagenvarianten im Vergleich
Im Rahmen der vergleichenden Berechnungen wurden sechs für die Effizienzstandards KfW-55, KfW-40 und KFW-40 plus folgende Anlagenvarianten berücksichtigt:
- Gas-Brennwertkessel zur Heizung und Trinkwarmwassererwärmung (TWE) + PV-Anlage
- Luft-Wasser-Wärmepumpe (Heizung + TWE) + PV-Anlage
- Luft-Wasser-Wärmepumpe (Heizung) + TWE mittels Elektro-Durchlauferhitzer + PV-Anlage + elektrochemischer Speicher
- Elektrische Direktheizung + Warmwasser-Wärmepumpe + PV-Anlage
- Elektrische Direktheizung + Warmwasser-Speicher + Heizstab + PV-Anlage
- Elektrische Direktheizung + TWE mittels Elektro-Durchlauferhitzer + PV-Anlage + elektrochemischer Speicher
Bei allen Varianten wurde außerdem eine zentrale Zu-/Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung unterstellt. Bei den Betrachtungen zum KfW-Effizienzhaus 40 Plus wurde entsprechend dem Plus Paket der KfW ein Stromspeicher berücksichtigt.
Als Übergabesystem wurde bei den wasserbasierten Systemen (Gas-Brennwertkessel und Luft/Wasser-Wärmepumpe) eine Fußbodenheizung mit Systemtemperaturen von 35/28°C zugrunde gelegt. Bei den Varianten mit elektrischer Direktheizung wurde ebenfalls von einer Fußbodenheizung ausgegangen. Im Rahmen der Studie wurde die PV-Anlage so dimensioniert, dass die installierte PV-Fläche der theoretisch verfügbaren geeigneten Dachfläche entsprach.
Auswirkungen neuer Anrechenbarkeitsregeln auf erreichbares Anforderungsniveau
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass alle Varianten mit elektrischen Flächenheizungen in Gebäuden mit gutem bzw. sehr gutem baulichem Wärmeschutz und in der beschriebenen Technikkombination eine anlagentechnische Lösung zur Erfüllung der primärenergetischen Anforderungen nach GEG darstellen. Das bedeutet alle Varianten dürfen grundsätzlich in Neubauten eingesetzt werden. Ein baulicher Wärmeschutz entsprechend für ein Einfamilienhaus mit dem Standard KfW-55 führt zur Erreichung der primärenergetischen Anforderungen des aktuellen GEG Entwurfs, mit einer Bauhülle entsprechend KfW- Effizienzhaus 40 werden bei freistehenden Einfamilienhäusern mindestens KfW 55 Anforderungen erreicht.
| Anlagenvariante | EnEV 2014 | GEG-Entwurf
23.10.2019 |
| Gas-BW + PV + WRG + Batterie | EnEV 2016 | KfW-55 |
| L/W-WP + PV + WRG + Batterie | KfW-40 Plus | KfW-40 Plus |
| L/W-WP + DLE + PV +WRG + Batterie | KfW-40 Plus | KfW-40 Plus |
| El. Flächenheizung+ WW-WP + PV + WRG + Batterie | KfW-55 | KfW-40 Plus |
| El. Flächenheizung + el. Heizstab + PV + WRG + Batterie | KfW-55 | KfW-55 |
| El. Flächenheizung + DLE + PV + Batterie + WRG | KfW-55 | KfW-55 |
Tabelle 1: Die sechs untersuchten Anlagenkombinationen und das jeweils erreichbare Anforderungsniveau für ein Einfamilienhaus mit KFW 40 Dämmstandard
Mit der Anlagenvariante elektrische Flächenheizung in Kombination mit einer Warmwasser-Wärmepumpe ist mit einem baulichen Wärmeschutz entsprechend der Mindestanforderung für KfW-Effizienzhaus 40 die Einhaltung der hohen energetischen Anforderungen für KfW-Effizienzhaus 40 bzw. in Verbindung mit einem Stromspeicher sogar auch die für KfW-Effizienzhaus 40 Plus möglich. Hier zeigt sich die gute Effizienz dieser Heizlösung, die somit auch die KFW-Förderwürdigkeit erreicht. Die Tabelle 1 stellt das erreichbare Anforderungsniveau in Abhängigkeit der Anrechenbarkeitsregeln für PV-Strom für ein Einfamilienhaus mit baulichen Wärmeschutz entsprechend KfW-40 plus dar.
In der Abbildung 1 wird der nach Vorgaben aus dem GEG-Entwurf (Stand 11/19) berechnete Primärenergiebedarf (hier exemplarisch für ein Einfamilienhaus KFW-40 plus) in Abhängigkeit von dem baulichen Wärmeschutz für die sechs betrachteten Anlagenvarianten dem primärenergetischen Anforderungswert nach GEG gegenübergestellt. Zusätzlich wird das mit dem unterstellten baulichen Wärmeschutz theoretisch erreichbare Anforderungsniveau für KfW-Effizienzhäuser abgebildet. So lässt sich auf einen Blick erkennen, welche Technikvariante überhaupt zum Einsatz kommen kann, wenn bestimmte KFW Standards erreicht werden sollen.
Real im Gebäude genutzter Strom vs. anrechenbarer Strom und ins Netz eingespeister Strom
Die Abbildung 2 zeigt den anrechenbaren PV-Strom im Vergleich zu dem im Gebäude real genutzten und ins Netz eingespeisten PV-Strom am Beispiel eines Einfamilienhauses mit baulichem Wärmeschutz entsprechend KfW-40 für die verschiedenen untersuchten Technologiepakete.
Hierbei kann man erkennen, dass auch bei den Technologiepaketen, die eine elektrische Direktheizung beinhalten, selbst erzeugter Strom ins Netz eingespeist werden kann.
Unverständlich ist – und dies gilt für alle untersuchten Varianten – warum der selbst erzeugte und im Gebäude genutzte Strom nur zu einem Teil angerechnet wird. Deutlich zu erkennen ist hier, dass der real im Gebäude genutzte Strom einen deutlich höheren Anteil aufweist und die durch das Gesetz gegebene Anrechenbarkeit nicht der physikalischen Realität entspricht.
Zusammengefast lässt sich sagen: Der in gebäudenahen PV-Anlagen erzeugte Strom wird bei allen betrachteten Möglichkeiten der Anrechnung auf den Gebäudeenergiebedarf nur zum Teil berücksichtigt, der ins Netz eingespeiste PV-Strom wird nicht erfasst. PV-Anlagen leisten damit über den Beitrag zur Effizienzsteigerung des Gebäudes auch immer einen Beitrag zur Erhöhung des Anteils der Erneuerbaren im allgemeinen Stromnetz. Dies unterscheidet PV-Anlagen von sonstigen Effizienzsteigerungen durch bauliche oder anlagentechnische Komponenten, die vollständig auf den Energiebedarf des Gebäudes angerechnet werden.
Randbedingungen
Auf Grundlage der vorgenommenen Energiebedarfsberechnungen wurden Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit der betrachteten Anlagenvarianten beim jeweils angesetzten baulichen Wärmeschutzniveau durchgeführt.
Bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit wurden folgende Strommengen berücksichtigt:
- Nutzerstrom (Heizung, Warmwasser, Haushaltsstrom)
- Erzeugte Strommenge aus PV-Anlage
- PV-Strom im Haus verbraucht (mit und ohne Stromspeicher)
- Strom aus Netz bezogen
- PV-Strom eingespeist.
Jahresgesamtkosten
Zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Anlagenvarianten wurden die Jahresgesamtkosten in Anlehnung an die VDI 2067 ermittelt. Die Jahresgesamtkosten beinhalten folgende Kostenbestandteile:
- verbrauchsgebundene Kosten
- betriebsgebundene Kosten (inkl. Wartung, Schornsteinfegergebühren und Versicherung)
- kapitalgebundene Kosten (einschließlich Instandsetzung).
Alle Kosten enthalten die gültige Mehrwertsteuer in Höhe von 19%. Die angesetzten Investitionskosten sind das Ergebnis umfangreicher Recherchen. Sie basieren auf einer Auswertung von Listenpreisen führender Hersteller und umfassen neben den Materialkosten auch die Lieferung, Montage, Inbetriebnahme, typische Rabatte und Preisaufschläge. Die kapitalgebundenen Kosten beinhalten die in jährliche Kosten umgerechneten Investitionen mit der Annuitätsmethode.
Die Jahresgesamtkosten elektrischer Direktheizungen sind in den betrachteten Gebäuden vergleichbar mit denen einer Gas-Brennwertheizung bzw. etwas günstiger als bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, wenn diese ebenfalls mit PV-Anlage und Zu-Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung kombiniert werden. Ein Heizstromtarif verbessert die Wirtschaftlichkeit der elektrischen Heizsysteme, ist jedoch für eine gute Wirtschaftlichkeit nicht zwingend erforderlich.
Bemerkenswert sind dabei die niedrigen Investitionskosten für die elektrische Flächenheizung bei der Erstellung des Gebäudes.
Die Abbildungen 3 und 4 zeigen beispielhaft die Jahresgesamtkosten, einmal im freistehenden Einfamilienhaus und im Reihenhaus, beide mit Dämmstandard KFW-40.
Insbesondere mit Blick auf Abbildung 4 lässt sich erkennen, dass gerade in hochgedämmten Neubauten die Varianten mit den elektrischen Flächenheizungen die günstigsten aller untersuchten Varianten hinsichtlich der Jahresgesamtkosten sind.
Fazit:
Die Erfüllung der primärenergetischen Anforderungen des aktuellen Entwurfs des GEG und teilweise auch von KfW-Effizienzhäusern ist mit elektrischen Flächenheizungen in Verbindung mit PV-Strom möglich und wirtschaftlich attraktiv.
In hochwärmegedämmten Gebäuden stellen die elektrischen Flächenheizungen damit eine gute Alternative zu anderen gängigen Heizsystemen dar. Die Jahresgesamtkosten elektrischer Direktheizungen sind vergleichbar mit denen einer Gas-Brennwertheizung bzw. etwas günstiger als bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit PV-Anlage und Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung.
Hinsichtlich der energetischen Effizienz schneidet die Kombination Wärmepumpe mit einer wasserbasierten Flächenheizung am besten ab und ist heute die erste Wahl beim Neubau von Eigenheimen, da je nach Systemtechnik auch die Möglichkeit des Kühlens gegeben ist.
Aber gerade in hochwärmegedämmten Neubauten mit geringem Heizbedarf kann die elektrische Flächenheizung eine interessante Alternative sein:
Die Installationskosten und –aufwände sind geringer als bei allen anderen Heizsystemen, dies ist für den Bauherrn natürlich ein attraktiver Anreiz. Auch die Wartungskosten sind deutlich geringer als bei anderen Heizsystemen, da mit einer Lebensdauer von mindesten 40 Jahren gerechnet werden kann und die elektrische Flächenheizung nahezu wartungsfrei ist.
Durch die Einbeziehung der laufenden Betriebskosten kommen wir zu einer Vollkostenbetrachtung, in der die elektrische Flächenheizung auch langfristig betrachtet wirtschaftlich attraktiv ist.
Die vollständige ITG Studie 2019 – Energetische Effizienz und Wirtschaftlichkeit der elektrischen Direktheizung kann hier heruntergeladen werden.
Der Abdruck (auch in Auszügen) ist nur nach Freigabe durch den BVF eV gestattet.
Energetische Effizienz und Wirtschaftlichkeit der elektrischen Direktheizung
Auftraggeber:
Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen e. V. – Wandweg 1, 44149 Dortmund
Electric Underfloor Heating Alliance – Avenue des Arts 46, 1000 Brüssel
IG Infrarot Deutschland e.V. – Mittelweg 10, 20148 Hamburg
Bundesverband Infrarot-Heizung e. V. – Schlosserstr. 6, 04442 Zwenkau (Leipzig)
Auftragnehmer:
ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden
Forschung und Anwendung GmbH
Tiergartenstr. 54 in 01219 Dresden
Dr.-Ing. Bernadetta Winiewska
Dipl.-Ing. Bettina Mailach
Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz
