Innovation4E
Elbschifferhaus Umgebinde. Ein Referenzobjekt des Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V. © BWP.

Wie gut funktionieren Wärmepumpen im Gebäudebestand?

Folge 4 der Serie «Wärmepumpen im Bestand» mit Ergebnissen aus einem Monitoring-Projekt von Luft- und Erdreich-Wärmepumpen

Die Frage, wie gut eine Wärmepumpe funktioniert, lässt sich anhand mehrerer Aspekte und Kennzahlen beantworten. In den meisten Fällen versteht man unter „wie gut“ im Grunde „wie effizient“. Die Effizienz wird zuerst im Labor unter bestimmten Arbeitsbedingungen ermittelt – konkret werden so genannte „Leistungszahlen“ (COP-Werte) bestimmt. Anhand dieser Werte ist es möglich, unterschiedliche Wärmepumpenmodelle miteinander zu vergleichen.

Etwas anschaulicher für die Endnutzer sind die auf Grundlage der COP und unter Berücksichtigung konkreter Betriebsparameter berechneten Arbeitszahlen. Diese geben an, welche Effizienz bei bestimmten Außentemperaturen und Heizungstemperaturen zu erwarten ist. So ist es zum Beispiel möglich, die zukünftigen Betriebskosten der Anlage abschätzen. Und schließlich gibt es auch die Effizienzwerte, die im Feld unter realen Bedingungen über einen bestimmten Zeitraum (meistens ein Jahr) gemessen werden. Diese Werte werden „Arbeitszahlen“ genannt und bilden die tatsächlich erreichte Effizienz der Anlagen ab.

Durchschnittliche Effizienzwerte von Wärmepumpen im Betrieb

Das Fraunhofer ISE hat im Laufe von 20 Jahren rund 300 im Einsatz befindliche Wärmepumpenanlagen vermessen und die Arbeitszahlen dieser Anlagen ermittelt. In der Tabelle werden die Ergebnisse aus zwei Projekten, die in Bestandsgebäuden durchgeführt wurden, dargestellt. Die Projekte wurden im Abstand von ungefähr zehn Jahren durchgeführt. Die Verbesserung der mittleren Effizienzzahlen z.B. von 3,3 auf 4,1 bei Erdreich-Wärmepumpen lässt sich deswegen teilweise mit der technologischen Verbesserung der Geräte erklären. Ein weiterer Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse ist ein anderer energetischer Zustand der untersuchten Gebäude.

Im ersten Projekt wurden überwiegend nicht sanierte Gebäude, die zu 90% mit Heizkörpern beheizt wurden, untersucht. Im zweiten Projekt waren zwar alle Häuser zwischen 15 und 150 Jahre alt, aber einige waren teil- bzw. vollständig saniert worden. Alle Effizienzwerte wurden für Wärmepumpenanlagen, die sowohl der Raumheizung als auch der Trinkwassererwärmung dienten, ermittelt. Auch der Strombedarf der zusätzlichen Elektroheizstäbe wurde bei der Berechnung der Werte berücksichtigt.

Effizienzwerte der Wärmepumpenanlagen aus zwei Feldprojekten in Bestandsgebäuden. © Fraunhofer ISE

Im Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 haben die 29 untersuchten Außenluft-Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8 erreicht. Der Mittelwert lag bei 3,1. Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ in vollsanierten Häusern wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Für die zwölf Erdreich-Wärmepumpen wurden JAZ zwischen 3,3 und 4,7, bei einem Mittelwert von 4,1, ermittelt. Bei den Erd-Wärmepumpen wurde ein negativer Ausreißer mit 1,8 nicht berücksichtigt. Die erreichten Werte zeigen, dass die Wärmepumpen bereits beim heutigen Strommix in Deutschland einen geringen CO2 Ausstoß verursachen als eine Gasheizung mit Solarthermie-Unterstützung. In einer späteren Folge werden wir auf dieses Thema näher eingehen.

Einfluss von Vorlauftemperaturen und unterschiedlichen Wärmeübergabesystemen

Diese hoch-aggregierten Werte vermitteln natürlich nur ein grobes Bild der untersuchten Wärmepumpenanlagen. Ein Beispiel für eine detailliertere Auswertung ist auf dem Bild 2 zu sehen. In der Grafik sind die jährlichen Effizienzergebnisse von 41 Luft-Wasser-Wärmepumpen während der Bereitstellung der Raumwärme dargestellt. Für jede Anlage sind die erreichte Effizienz sowie die maximale (Tages)-Vorlauftemperatur zu erkennen. Die drei Farben symbolisieren unterschiedliche Wärmeübergabesysteme. Orange dargestellt sind Häuser mit Heizkörper, blau die Häuser mit Fußbodenheizung und grün sind die Anlagen mit gemischten Systemen.

Jährliche Effizienzwerte in Abhängigkeit von maximalen Vorlauftemperaturen von 41 Luft/Wasser Wärmepumpenanlagen mit unterschiedlichen Wärmeübergabesystemen. © Fraunhofer ISE

Zuerst ist eine allgemeine Abhängigkeit zu erkennen – je niedriger die Vorlauftemperaturen, desto höher die Effizienz. Die theoretischen Überlegungen wurden also in der Praxis bestätigt. Und offensichtlich ist auch die zweite Annahme – die Heizungsanlagen mit Fußbodenheizung erreichen tendenziell höhere Effizienzwerte als Systeme, die höhere Vorlauftemperaturen benötigen – in der Realität nachzuweisen.

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass das Bild sehr differenziert ist. Die meisten Ergebnisse liegen zwischen den Effizienzwerten von 3 und 4. Der Mittelwert für alle Anlagen liegt bei 3,3. Sowohl Anlagen mit Fußbodenheizung als auch solche mit Heizkörper erreichten ähnliche Effizienzwerte. Umgekehrt haben aber die sieben Anlagen, die mit einer sehr ähnlichen maximalen Vorlauftemperatur um 48°C gearbeitet hatten, eine jährliche Effizienz von 1,5 bis 3,8 erreicht. Eine enorme Bandbreite die auf andere Einflussfaktoren hindeutet!

Beispielsweise waren die Anlagen mit den auffällig niedrigen Effizienzwerten um 1,5 eher ältere Geräte und verfügten über eine sehr geringe Norm-Leistungszahl (COP-Wert). Entscheidend ist jedoch, dass bei diesen Anlagen aufgrund von Mängeln bei der Auslegung relativ häufig der Elektroheizstab zum Einsatz kommen musste. 

Die Heizkreistemperaturen sind also nicht immer ausschlaggebend für die Effizienz der Anlagen. Diese Erkenntnis ist ermutigend für jene Fälle, bei denen relativ hohe Vorlauftemperaturen notwendig sind – auch bei diesen Anlagen lässt sich eine gute Effizienz erreichen. Sie zeigt allerdings auch, dass nicht allein das Wärmeübergabesystem entscheidend ist, sondern ebenso die sorgfältige Planung, Installation und Einstellung der Wärmepumpenanlage.

Schon heute sind die Effizienzmittelwerte von Wärmepumpen gut

Die Ergebnisse aus den Studien verdeutlichen, dass Wärmepumpen als Wärmeerzeuger auch in Bestandsgebäuden zuverlässig funktionieren und ökologisch vorteilhaft sind (dazu mehr in einer weiteren Folge der Serie). Die Geräte arbeiteten in der Regel einwandfrei. Im Betrieb kam es nur selten zu Störungen. Eine weitere Optimierung ist durch die in den letzten Jahren deutlich verbesserten Modelle bereits zu beobachten und auch zukünftig durch weitere Innovationen sicher möglich. Schon heute sind die Effizienzmittelwerte allerdings als mindestens gut zu betrachten.

Die nächste Folge der Serie wird sich mit Heizstäben beschäftigen: Wird durch den Einsatz des Heizstabs die Effizienz der Wärmepumpe nicht stark verringert?

Zum Weiterlesen:

Überblick über die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen.

Teil 3 der Serie «Wärmepumpen im Bestand»: Muss ein Haus zuerst saniert werden, damit eine Wärmepumpe installiert werden kann?

Titelbild:

Elbschifferhaus Umgebinde. Ein Referenzobjekt des Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V. © BWP.

Dieser Blogbeitrag wird finanziell durch die Stiftung Klimaneutralität unterstützt.

Marek Miara

Marek Miara verfügt über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien. Am Fraunhofer ISE arbeitet er bereits seit 18 Jahren, gegenwärtig ist er dort als „Business Developer Heat Pumps“ tätig. Er ist Master-Absolvent der Technischen Universität Breslau (2000) sowie der Universität Kassel (2004). Im Jahr 2014 promovierte er an der Technischen Universität Breslau.
Neben nationalen Projekten betreute er internationale EU-Projekte und Aktivitäten im Rahmen von IEA - Heat Pump Technologies. Für Annex 50 (Heat Pumps in Multi-Family Buildings for Space Heating and DHW) wurde ihm die Rolle des „Operating Agent[s]“ anvertraut. Zudem ist er Mitglied bei mehreren Gremien des VDI (Verband Deutscher Ingenieure), Vorstandsmitglied der Deutschen Gesellschaft für Kälte- und Klimatechnik (DKV), Vorstandsmitglied des Europäischen Wärmepumpenverband (ehpa) sowie Mitbegründer der polnischen Wärmepumpenverbandes (PORT PC).

1 Kommentar

  • Hallo,
    der Beitrag war wie gewohnt wieder sehr interessant.
    Spannend wäre bei Abbildung 2 noch, wenn anstatt der max. Vorlauftemperatur die jährliche Kondensatormitteltemperatur aufgetragen wäre. Ggf. mit/ohne Trinkwassererwärmung und mit/ohne E-Heizstab (in dem Fall die Mitteltemperatur von vor Kondensator und hinter Heizstab).
    Vielleicht würden sich dadurch noch stärkere Korrelationen zeigen.

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