Innovation4E

Wie stark verringert der Einsatz eines Heizstabs die Effizienz von Wärmepumpen?

Folge 5 der Serie «Wärmepumpen im Bestand»

Heizungssysteme mit Wärmepumpen sind meistens mit einem direkt-elektrischen Heizstab ausgestattet. Üblicherweise übernimmt der Elektroheizstab die Wärmebereitstellung ab einer definierten Außentemperatur (zum Beispiel -5°C, auch „Bilvalenzpunkt“ genannt) – entweder allein oder parallel zur Wärmepumpe. Dadurch kann die erforderliche Größe (Leistung) von Außenluft-Wärmepumpen begrenzt werden.

Die geringere Größe verbessert zum einen die Wirtschaftlichkeit des Systems, zum anderen optimiert sie die Arbeit der Wärmepumpen bei höheren Außentemperaturen. Eine zu große Diskrepanz zwischen der Heizlast (Wärmebedarf) des Gebäudes und der Leistung der Wärmepumpe führt dazu, dass der Verdichter (der Wärmepumpe) häufig eingeschaltet wird, was sich negativ auf dessen Lebensdauer auswirkt. Bei leistungsgeregelten Wärmepumpen, die ihre Leistung entsprechend der herrschenden Bedingungen anpassen können, passiert dies deutlich seltener.      

Im Vergleich zur Wärmepumpe hat der Heizstab eine deutlich schlechtere Effizienz. Die Grundannahme ist, dass elektrische Heizer eine Einheit elektrische Energie in eine Einheit Wärme umwandeln. Die meisten Wärmepumpen liefern dagegen zwischen 3 und 4 Einheiten Wärme pro Einheit elektrischer Energie (siehe vorherige Folge der Serie). Sie sind also 3- bis 4-mal effizienter als die Heizstäbe.

Wie oft arbeiten Heizstäbe?

Kommt der Heizstab eines Wärmepumpensystems also häufig zum Einsatz, ist dies schlecht sowohl für die Betriebskosten als auch für die Ökologie. Häufig besteht gegenüber Wärmepumpen das Vorurteil, dass der Heizstab oft genutzt werden muss und die Heizkosten dadurch „explodieren“. Felduntersuchungen widerlegen diese Annahme eindeutig.

© Fraunhofer ISE

Die Grafik bildet eine Quer-Auswertung von insgesamt 266 im Feld untersuchen Wärmepumpenanlagen ab. Die 117 Luft/Wasser- und 149 Sole/Wasser-Wärmepumpen wurden in den letzten 15 Jahren im Rahmen von 4 Forschungsprojekten getestet (jeweils zwei im Neubau und im Gebäudebestand).

Aus 100% elektrischer Energie (blaue Fläche) wurde 292% Wärmeenergie bei den Außenluft- bzw. 382% bei den Erdreich- Wärmepumpen (grüne Fläche) bereitgestellt. Das entspricht Effizienzwerten von 2,9 bzw. 3,8. Die orange Fläche bildet den Stromverbrauch der Heizstäbe ab. Bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen betrug der Anteil der von Heizstäben benötigten elektrischen Energie lediglich 2,8%. Dabei ist zu beachten, dass bei ca. der Hälfte der Anlagen die Heizstäbe überhaupt nicht gearbeitet hatten (unabhängig davon, ob im Neubau oder Altbau).

Im letzten Monitoringprojekt in Bestandsgebäuden, betrug die relative Heizstabarbeit bei Luft/Wasser- Wärmepumpen im Mittel lediglich 1,9%. Ein signifikanter Betrieb des Heizstabs wurde nur bei falscher Einstellung, bei Defekten oder infolge eines Legionellenschutzes bei der Warmwasserbereitung festgestellt. 

Bei den Erdreichwärmepumpen war der Heizstabeinsatz deutlich geringer als bei den Außenluftwärmepumpen und betrug im Schnitt lediglich 1,2%. Bei ca. 75% der Anlagen wurde gar keine Arbeit des Heizstabs festgestellt. Den Praktiker überraschen diese Werte nicht: bei den Erdreichanlagen dient der Heizstab lediglich als Absicherung für den Fall eines Defekts.

Welche Kosten entstehen durch den Einsatz des Heizstabs?

Der Heizstab wird also in der Regel sehr selten eingesetzt. Aber welche Kosten können dadurch verursacht werden? Dies hängt von mehreren Faktoren ab. Für die folgenden Berechnungen wurde ein Haus mit 150 m² Heizfläche, einer Wärmepumpe mit einer Effizienz von 3,0 und ein Strompreis von 25 Cent pro kWh angenommen. Vorausgesetzt, dass der Heizstabanteil 1% beträgt, belaufen sich die jährlichen Kosten des Heizstabs bei einem nicht sanierten Altbau (Heizenergiebedarf von 150 kWh pro m² und Jahr) auf 37,5 €. Bei einem Neubau (Heizenergiebedarf von 50 kWh pro m² und Jahr) liegen sie bei 12,5 €!

Theorie und Praxis zeigen übereinstimmend, dass die Heizstabanteile im Betrieb von korrekt geplanten und ausgelegten Wärmepumpenanlagen 3% nicht übersteigen. Ein größerer Anteil deutet in den meisten Fällen auf Optimierungspotential bei der Wärmepumpenanlage hin. Damit ist klar, dass der Einsatz des Heizstabs keinen relevanten Einfluss auf die Effizienz der Wärmepumpe hat. 

Die bisherigen Folgen der Serie haben sich überwiegend mit grundlegenden Zusammenhängen und Mittelwerten aus Feldstudien zu einer Vielzahl von realen Wärmepumpenanlagen beschäftigt. In der nächsten Folge werden wir zwei Beispiele von konkreten Bestandsgebäuden mit Wärmepumpen genauer vorstellen.   

Zum Weiterlesen:

Überblick über die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen.

Teil 4 der Serie «Wärmepumpen im Bestand»: Wie gut funktionieren Wärmepumpen im Gebäudebestand?

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

Titelbild:

Umgebindehaus in Sachsen mit Sole-Wasser-Wärmepumpe. 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).

2 Kommentare

  • Sehr geehrter Herr Miara,

    bei 150 kWh/m2/a und 150 m2 komme ich auf einen Wärmebedarf von 22.500 kWh. 1 % davon sind 225 kWh * 0,25 €/kWh = 56,25 €. 1kWh Strom = 1 kWh Wärme beim Heizstab. Sie geben 37,50 € an. Wo ist mein Rechenfehler? Im Schnitt sind es laut ihres Berichts 1,9 % also 107 €, ein deutlich höherer Wert, der bei Strompreissteigerungen von ca. 5%/a immer mehr anwächst.

    Bitte klären Sie den Sachverhalt.

    • Sehr geehrter Herr Denz,

      Vielen Dank für die Frage.
      Bei einem Wärmebedarf von 22.500 kWh und Effizienz der WP von 3 wird 7500 kWh Strom benötigt.
      Der Heizstab liefert 1 % der Wärme mit der Effizienz von 1 also 225 kWh. Die Wärmepumpe “darf” gleichzeitig um 1% weniger Strom verbrauchen also statt 7500 nur 7425 (75 kWh weniger).
      Am Ende wird der Stromverbrauch nicht um 225 kWh, sondern um 225 – 75 = 150 kWh steigern. 150 kWh * 0,25 €/kWh = 37,5 €.

      Die Stromkosten sind in letzten 10 Jahren laut Eurostat um 20% gestiegen. Also 2% pro Jahr.
      Viele Zeichen sprechen dafür, dass der Strompreis für die Wärmepumpen von der EEG-Umlage bald vollständig oder teilweise befreit wird.
      Damit wird der Strompreis eher sinken und nicht steigern.

      Mit freundlichen Grüßen,
      Marek Miara

Sie haben Fragen oder Anmerkungen? Sie finden ein Thema besonders spannend und möchten gerne mehr darüber lesen? Kontaktieren Sie uns. Wir werden uns um Ihr Anliegen kümmern!

Kontakt

energieblogger.net

Gemeinsam bloggen für die Energiewende. Wir machen mit!