Durch die sorgfältige und gewissenhafte Marktbearbeitung, gepaart mit umfassenden nationalen und internationalen Forschungsprojekten, hat sich die Schweiz zum Vorzeigeland für innovative Wärmepumpenlösungen entwickelt. Wichtigstes Forum für den Erfahrungsaustausch ist die jährliche Wärmepumpentagung der Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (FWS) in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Energie (BFE). Im zweiten Teil der Eindrücke von der letzten Tagung geht es um den Einsatz der Wärmepumpe in Niedrigstenergiehäusern, die Bewertung und Senkung von Schallemissionen sowie den Unterschied zwischen Normauslegung und realem Betrieb.
nZEB mit Wärmepumpe
Seit Januar 2021 gelten in der EU für alle Neubauten die Anforderungen eines Niedrigstenergiehauses oder Netto-Nullenergiegebäudes (nZEB, nearly Zero Energy Building). Die Definition der EU-Richtlinie Energy Performance Building Directive (EPBD; EU-Gebäuderichtlinie), besagt jedoch nur, dass es sich dabei um „sehr energieeffiziente Gebäude“ handelt, die den verbleibenden Energiebedarf möglichst verbrauchsnah durch erneuerbare Energie decken sollten.
Da jeder EU-Mitgliedsstaat die Richtlinie unterschiedlich umsetzt, sind die nationalen Energiekennwerte nur bedingt vergleichbar. Unabhängig davon zeichnet sich ab, dass die EU-Vorgaben am ehesten durch eine Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe zu erreichen ist, bevorzugt mittels Speicherung der überschüssigen Energie aus der PV-Anlage in Batterien. Einen guten Überblick über die anlagentechnischen Varianten und nationalen Lösungen bietet das Forschungsprogramm IEA HPT Annex 49 „Auslegung und Integration von Wärmepumpen in Netto-Nullenergiegebäuden“. Das Projekt wird vom Institut für Energietechnik IET der Hochschule für Technik, Rapperswil (HSR) geleitet (Ansprechpartner Prof. Carsten Wemhöner).
Der deutsche Beitrag in Annex 49 ist das Projekt „Herzo Base“ in Herzogenaurach, Landkreis Erlangen-Höchstadt, das vom EnergieCampus der Technischen Hochschule Nürnberg wissenschaftlich betreut wurde. Die acht Einfamilien-Reihenhäuser (KfW40-Standard) werden über zwei zentral angeordnete erdgekoppelte Wärmepumpen (Bild 2) beheizt. Die Wärmeverteilung erfolgt unter Zwischenschaltung von zwei thermischen Speichern über ein Nahwärmenetz zu den einzelnen über den Fußboden beheizten Häusern.
Um die Nachteile einer zentralen Trinkwassererwärmung zu umgehen, sind in den einzelnen Häusern 200-l-Warmwasserspeicher installiert, die über Booster-Wärmepumpen (Wärmequelle: Nahwärmenetz) beladen werden. Im Hinblick auf weiter steigende sommerliche Temperaturen besteht im Sommer die Option, den Fußboden über das Nahwärmenetz im Free-Cooling-Betrieb zu kühlen. Primärer Stromlieferant für die Wärmepumpen ist ein PV-Dach mit einer Leistung von 99 kWp und einem Jahresertrag von 66 MWh.
Die mit dem PV-Netz gekoppelten Batterien sind so dimensioniert, dass sich eine Plusenergiebilanz ergibt. Eine Besonderheit des Projekts bzw. Projektziel des Annex 49 ist die Optimierung des netzdienlichen Betriebs der Heizwärmepumpen mithilfe eines Demand Side Managements (DSM) und der Booster-Brauchwasser-Wärmepumpen in Abhängigkeit des Angebots an PV-Strom bzw. Strom aus der Batterie und aus dem Netz. Folgende Regelstrategien wurden entwickelt:
Im Vergleich zum Betrieb ohne DSM konnte so der Eigenverbrauch an PV-Strom um bis zu 21 % erhöht, der Bezug von Batteriestrom um 10 % gesenkt und der Bezug von Netzstrom in den Wintermonaten um 11 % verringert werden.
Weitere Ergebnisse, die sich aus dem Energiemonitoring ergeben haben:
Bild: Raab Baugesellschaft
Akustischer Stresstest für Luft/Wasser-Wärmepumpen
Nicht immer können Wärmepumpen ihren Nutzer überzeugen. Wenn es schlecht kommt, monieren auch die Nachbarn, dass die Aggregate zu laut seien. In Fachkreisen hat sich inzwischen die Erkenntnis durchgesetzt, dass manche Luft/Wasser-Wärmepumpen unter bestimmten Umgebungsverhältnissen besser nicht installiert werden sollten, da der Lärm bzw. die akustischen Emissionen das Verhältnis zur Nachbarschaft nachhaltig stören könnten.
Dabei geht es längst nicht mehr um rein statische dB- und dB(A)-Werte, sondern um die eher dynamische Wechselbeziehung zwischen der Außeneinheit der Luft/Wasser-Wärmepumpe und den witterungsbedingten bzw. baulichen Eigenheiten. Darauf deutet das recht umfangreiche Forschungsprojekt „Akustische Optimierung von Wärmepumpen“ hin, das im „Annex 51“ des IEA HPT-Programms angesiedelt ist.
Ganz eindeutig ist dort beschrieben, dass die Marktakzeptanz von Luft/Wasser-Wärmepumpen zu einem großen Teil von deren akustischer Verträglichkeit abhängt und damit ein entscheidendes Wettbewerbskriterium darstellt.
Schwachpunkt von Luft/Wasser-Wärmepumpen ist laut Christoph Reichl, Technische Universität, Wien, der benötigte hohe Luftvolumenstrom am Verdampfer und die damit verbundenen Geräusche. Dies gelte besonders für den Betrieb von Luft/Wasser-Wärmepumpen in der Übergangszeit, da dann die Vereisung des Verdampfers zu einer Veränderung des Frequenzspektrums führt.
Aufgabe des IEA HPT Annex 51 ist es, einheitliche rechtliche und normative Rahmenbedingungen zur Bewertung akustischer Emissionen beim Betrieb von Luft/Wasser-Wärmepumpen festzulegen. Das gewonnene Know-how werde dann den Herstellern von Wärmepumpen und deren Komponenten, akustischen Beratern, Planern und Installateuren zur Verfügung gestellt.
Um nationale bzw. institutseigene Messverfahren vergleichen und damit auch die Produkte künftig nach einheitlichen Kriterien testen zu können, wurden drei Wärmepumpen (eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, eine Abluft-Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung und eine Luft/Luft-Wärmepumpe) „auf Tour“ zu den teilnehmenden Instituten in Italien, Deutschland, Dänemark, Schweden, Frankreich und Österreich geschickt. Dabei zeigte sich, dass die in den unterschiedlichen Ländern gemessenen Frequenzspektren weitgehend identisch sind.
Bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe ging es in erster Linie um die akustische Auswirkung der Vereisung bei verschiedenen Wärmeübertrager-Bauformen, um Montagedetails zusätzlicher Schalldämm-Maßnahmen, aber auch um Bauteiloptimierungen, Abtau-Strategien sowie die Optimierung der Ventilatordrehzahl. Rund 19 Maßnahmen zur Senkung der akustischen Emission sind in einem Bewertungskatalog aufgelistet. Derzeit werden alle Taskberichte abgeschlossen und seit Ende 2020 im Rahmen des Annex 51
(→ www.bit.ly/tga1293) veröffentlicht.
Bei Normauslegung überdimensioniert
Wenn eine TGA-Ingenieurgesellschaft für sich selbst ein Bürogebäude (Bild 1) plant und baut, sollte man davon ausgehen können, dass ein optimal abgestimmtes Heiz- und Klimatisierungskonzept entsteht. Doch die Vorgaben des Gesetzgebers zu immer höheren Gebäude-Dämmstandards haben auch für Profis Tücken, wie das Beispiel des neuen Bürogebäudes der 3-Plan Haustechnik AG in Winterthur, Schweiz, zeigt.
Die grundlegende Idee der Konzeption des Bürogebäudes war, ein Gebäude- und Energiekonzept zu entwickeln, das an jedem beliebigen Ort in der Schweiz kostengünstig realisiert werden kann. Es sollte mit einer reversierbaren Wärmepumpe beheizt und gekühlt werden, allerdings ohne die teure Erschließung von Erdwärme, sei es mit Sonden oder über das Grundwasser. Das Pflichtenheft umfasste folgende Vorgaben:
lüftung (minimaler Luftwechsel über
die Lüftungsanlage mit der Option
eines manuell regelbaren Luftwechsels
in den Besprechungsräumen)
lose Leistungsregelung von 15 bis 100 %, separate Wärmeübertrager für den Heiz- und Kältefall.
Da zum Zeitpunkt der Realisierung eine solche Wärmepumpe – Leistungsdaten 62 kW im Heizfall, 55 kW im Kühlfall – nicht am Markt verfügbar war, wurde die Scheco AG, Winterthur, mit dem Bau der Wärmepumpe beauftragt.
Im Hinblick auf eine kosteneffiziente wie auch energieeffiziente Lösung und einer einfachen, aber robusten Hydraulik entschieden sich die Planer für ein Zweileiter-Change-Over-System mit „aktiven“ Radiatoren zur Erhöhung der Leistungsabgabe mittels eingebauten Ventilatoren. Aus Kostengründen wurde bewusst auf Heiz- und Kühldecken, thermisch aktivierte Bauteile oder Fußbodenheizung-/Kühlung verzichtet.
Im praktischen Betrieb, unterstützt durch ein umfassendes Energiemonitoring-Programm, zeigte sich dann, dass der reale Heiz- bzw. Kühlbedarf von der Berechnungsnorm SIA 380/1 „Thermische Energie im Hochbau“ (Heizen) und SIA 2024/2015 „Raumnutzungsdaten für Energie- und Gebäudetechnik“ (Kühlen) signifikant abweicht.
So wurden die Planungswerte im Heizfall um 14 % und die im Kühlfall um den Faktor 11 unterschritten. Konkret bedeutet das, dass der Heizenergieverbrauch um den Faktor 13 größer ist als der Kälteverbrauch, was dem allgemeinen Trend zu höherem Kühlbedarf in Bürogebäuden widerspricht (Bild 3).
Igor Bosshard-Mojic, Hochschule für Technik, Rapperswil (HSR), der das Energiemonitoring betreut hat, führt diese Diskrepanz auf die hervorragende Funktion der Nachtauskühlung bei diesem Gebäude zurück. Die großen Abweichungen des realen Betriebs von den Planungsdaten begründet Bosshard-Mojic außerdem damit, dass mit steigendem Dämmstandard (U-WertWand = 0,1 W/(m2 ∙ K)) die Abhängigkeit des Heizbedarfs von der Außentemperatur abnimmt.
Auch andere Untersuchungen in der Schweiz zum sogenannten Performance-Gap hätten gezeigt, dass gerade bei gut gedämmten Gebäuden die Abweichung zwischen Berechnung und realer Messung recht groß sein kann, trotz Verzicht auf Sicherheitszuschläge.
Für den Betrieb der Wärmepumpen hat diese nicht beabsichtigte Überdimensionierung einen negativen Einfluss. Auch die Rückkühler sind deutlich zu groß dimensioniert und verbrauchen somit im Verhältnis zur produzierten Heiz- und Kühlenergie zu viel an elektrischer Antriebsenergie. Letztere beeinflusst die ohnehin niedrigere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe ganz erheblich. Bezieht man die Rückkühler mit ein, liegt die JAZ bei 2,6 im Kühlbetrieb und bei 2,8 im Heizbetrieb. Ohne die überdimensionierten Nebenaggregate läge die JAZ im Heizfall bei 3,7, im Kühlfall bei 5,2, so die Berechnungen der Hochschule.
Zusätzlich beeinflusst wird die JAZ durch das optimierte Gebäudedesign und die Nachtauskühlung, da die Wärmepumpe nur noch bei sehr hohen bzw. sehr tiefen Außentemperaturen in Betrieb geht.
Durch die Nachtauskühlung des Gebäudes beträgt die jährliche Betriebszeit der Wärmepumpe im Kühlbetrieb nur noch 192 h, geheizt wird an 3068 h (Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019). Der spezifische Kältebedarf im Sommer 2018 lag damit bei nur 1,0 kWh/(m2 ∙ a), der Heizwärmebedarf witterungsbereinigt bei 13,9 kWh/(m2 ∙ a).
Eine wichtige Funktion zur Einsparung von Heiz- und Kühlenergie ist der Change-Over-Betrieb mit einer klaren Trennung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb. Trotz minimalster Technik und breitem Komfortband der Raumtemperatur mit Werten von bis zu 26 °C gab es laut Forschungsbericht keine Beanstandungen durch die Beschäftigten. Was die umschaltbare Propan-Wärmepumpe anbelangt, hat sich das gewählte Aufstellungs- und Sicherheitskonzept (Außenaufstellung) als praktikabel und auf andere Kältemittel übertragbar erwiesen (Schlussbericht auf www.aramis.admin.ch: → www.bit.ly/tga1295).
Schlussfolgerungen / Ausblick
Je größer das Gebäude und je höher der Wärmedämmstandard, desto anspruchsvoller ist die Planungsaufgabe bei einer Wärmepumpenanlage. Bei großen Wohngebäuden stellt sich zusätzlich die Frage, welche Art der Trinkwassererwärmung und Verteilung zum Gebäude bzw. dessen Bewohner passt.
Möglicherweise noch strengere Hygienevorschriften zur Vermeidung von Legionellen beeinflussen künftig ganz grundsätzlich die Auslegung und Konzeption einer Wärmepumpenanlage mit integrierter Trinkwassererwärmung. Mit dem Trend zu stark verdichteten urbanen Wohngebieten stellt sich gleich mehrfach die Frage, welche Art von Wärmequellen langfristig Bestand haben werden.
In der Schweiz löst man dieses Problem durch immer tiefere Erdwärmesonden. Luft/Wasser-Wärmepumpen sollten bei dichter Bebauung wegen möglicher akustischer Emissionen mit Bedacht ausgewählt werden. Die Schweiz zeigt – über die rein technischen Fragen hinaus – dass mit günstigen politischen Rahmenbedingungen eine nachhaltige Konversion von den fossilen Energieträgern zu regenerativen Lösungen möglich ist.
Das vom schweizerischen Bundesamt für Energie initiierte Forschungsprogramm „Wärmepumpen und Kältetechnik“ macht deutlich, dass die staatliche Unterstützung durch Forschungsprogramme die Marktdurchdringung der Wärmepumpe langfristig fördert und damit den Weg zur Wirtschaftlichkeit und zu ökologisch sinnvollen Lösungen ebnet.
Bild: 3-Plan Haustechnik AG
Autor
Bild: M. Dertinger-Schmid
