Eine große Anzahl Wärmepumpen wurde in den Jahren 2006 bis 2010 im Rahmen zweier Projekte im realen Einsatz vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE aus Freiburg vermessen. Dabei wurden mit hoher zeitlicher Auflösung Volumenströme, Temperaturen, Wärmemengen und Stromverbräuche erfasst und per Datenfernabfrage täglich am Institut gespeichert und ausgewertet. Aus den Messergebnissen werden Kennwerte, das Systemverhalten, Gütegrade und Korrelationen zu Anlagenstammdaten abgeleitet.
Im Feldtest „WP-Effizienz“ wurden etwa 110 Wärmepumpen in neuen Einfamilienhäusern vermessen. In Zusammenarbeit mit sieben Wärmepumpenherstellern und den Energieversorgern EnBW und Eon Energie untersuchte das Institut, wie effizient elektrische Wärmepumpen den Wärmebedarf von neu gebauten Einfamilienhäusern decken können. Die Energieversorger und die Hersteller begleiteten das Projekt inhaltlich und unterstützen es finanziell. Weitere Geldmittel kamen vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Förderkennzeichen 0327401A.
In einem zweiten, von der Eon Energie AG finanzierten Projekt wurden etwa 70 Wärmepumpen in unsanierten Bestandsgebäuden untersucht. Die Anlagen wurden bei Eon-Kunden, die vorher mit Ölkesseln geheizt hatten, eingesetzt. Das ISE hat neben der Effizienz der eingesetzten Wärmepumpen die Sicherung der Wärmeversorgung der Gebäude geprüft und stellte einen ökologischen und wirtschaftlichen Vergleich gegenüber dem Einsatz einer Ölheizung an.
Charakteristik der Gebäude und Wärmepumpensysteme
Bei beiden Projekten wurde angestrebt, eine repräsentative Anzahl von unterschiedlichen Wärmequellen zu berücksichtigen. Das Ziel wurde bei der Wärmequelle Erdreich und Außenluft erfolgreich erreicht. Die Systeme mit Grundwasser (Wasser/Wasser-Wärmepumpen) haben lediglich eine untergeordnete Rolle gespielt. Die Wärmeverteil- und Wärmeübergabesysteme entsprechen den spezifischen Anforderungen der Neubauten oder Bestandsgebäude.
Im Projekt „WP-Effizienz“ für Neubauten ist die Dominanz des für die Wärmepumpen bevorzugten Übergabesystem eindeutig: über 90 % der Häuser sind mit Fußbodenheizung ausgestattet. Bei den Bestandsgebäuden sieht die Verteilung umgekehrt aus. Dort benutzen über 95 % der Anlagen als Wärmeverteilsystem Radiatoren. Dieses erfordert zwangsläufig höhere Vorlauftemperaturen im Vergleich zu Systemen mit reiner Fußbodenheizung. Die beheizte Wohnfläche der untersuchten Objekte liegt bei beiden Projekten knapp über 190 m2.
Die ausgewerteten Objekte aus dem Forschungsprojekt für Neubauten haben einen mittleren spezifischen Heizenergieverbrauch von 70 kWh/m2a. Die Bandbreite erstreckt sich von 30 bis 150 kWh/m2a. Für 28 Objekte wurde ein Vergleich zwischen dem berechneten Bedarf und dem gemessenen Verbrauch durchgeführt. Bei rund 60 % der Häuser sind die Unterschiede zwischen beiden Werten kleiner als 12 %. Bei sechs Anlagen wurde ein deutlich höherer Bedarf (im Mittel um 40 %) und bei fünf Anlagen ein höherer Verbrauch – im Mittel um 20 % – nachgewiesen. Der ermittelte Wärmebedarf der Bestandsgebäude für Heizung und Warmwasserbereitung betrug auf Basis des Ölverbrauchs der letzten fünf Jahre im Mittel 177 kWh/m2 beheizter Wohnfläche.
Zur Bilanzgrenze und zur Auswertung der Messdaten
Die Auswertungen umfassen drei Jahre beim Neubauprojekt, von Juli 2007 bis Juni 2010, und zwei Jahre beim Projekt mit den Bestandsgebäuden, 2008 und 2009. Beim überwiegenden Teil der untersuchten Wärmepumpen dienen die Anlagen sowohl für Heizung als auch zur Trinkwassererwärmung.
Die Effizienzkennwerte, also die Arbeitszahlen und die Jahresarbeitszahlen wurden in beiden Projekten mit der identischen Systematik ermittelt. Beim Stromverbrauch wurden die Wärmepumpe (Verdichter plus Steuerung), die Solepumpe bei den Erdreichanlagen und die Ventilatoren bei den Luftanlagen und der elektrische Heizstab zur Zusatzheizung berücksichtigt. Die erzeugte Wärme wurde direkt im Anschluss an die Wärmepumpe gemessen. Das bedeutet, dass die Wärmeverluste des Trinkwasserspeichers und (falls vorhanden) des Pufferspeichers nicht berücksichtigt sind. Für die Bestimmung der Effizienz wurden die Wärmepumpenanlagen nach Wärmequellen gruppiert.
Sole/Wasser-Wärmepumpen in Neubauten
Bild 3 zeigt die monatlichen und jährlichen Arbeitszahlen sowie den Mittelwert der Arbeitszahl für die gesamte Auswertungsperiode der Erdreich-Wärmepumpen aus dem Projekt „WP-Effizienz“. Im Zeitraum zwischen Juli 2007 und Juni 2010 beträgt der Mittelwert für die erfassten Arbeitszahlen 3,9. Die Anzahl der ausgewerteten Anlagen ist von zehn zu Beginn der Auswertungsperiode auf 56 im Oktober 2010 gestiegen. Die Balken auf den dargestellten monatlichen Arbeitszahlen geben zur Orientierung die Heiz- (rot) und Trinkwarmwasserenergie (blau) in absoluten Werten wieder. Der mittlere Anteil der Trinkwarmwasserenergie beträgt 18 %.
Die Beladung des Trinkwasserspeichers erfolgt durchschnittlich mit 52°C, die des Heizkreises dagegen mit 36 °C. Dementsprechend zeigen sich deutliche Unterschiede zwischen den Sommer- und Wintermonaten. Der jeweilige Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Wärmesenke trägt zu hohen Arbeitszahlen in den Winter- und niedrigeren Arbeitszahlen in den Sommermonaten bei. Besonders hohe Monatsarbeitszahlen sind in den Herbstmonaten abzulesen. Am Anfang der Heizperiode weist die Wärmequelle Erdreich relativ hohe Temperaturen bei gleichzeitig moderaten Heizkreisvorlauftemperaturen auf. Dies ist besonders bei den Anlagen mit Erdreichkollektoren zu beobachten. Die Wärmequellenanlagen teilen sich in 27 % Erdreich-Kollektoren und in 73 % Erdreich-Sonden auf.
Im September 2008 wurde begonnen, die Anlage aus der zweiten Phase des Projektes zu installieren. Die Berücksichtigung der Erkenntnisse aus der ersten Phase hat sich positiv auf die Ergebnisse ausgewirkt. Insbesondere die Installationen der Wärmepumpensysteme wurden sehr sorgfältig durchgeführt und die einzelnen Elemente besser aneinander angepasst. Teilweise wurden auch neue Generationen der Wärmepumpen installiert.
Vergleich mit dem Altbau
Die Wärmepumpen im Gebäudebestand-Projekt haben insgesamt höhere Vorlauftemperaturen im Heizkreis. In den Wintermonaten werden für die meisten Anlagen Vorlauftemperaturen zwischen 45 °C und 55 °C erreicht, für einzelne Anlagen bis zu 65 °C. Trinkwarmwasser wird ganzjährig zwischen 50 °C und 51 °C bereitgestellt. Der Anteil der Trinkwarmwasserbereitung an der erzeugten Energie liegt zwischen 12 % und 14 %.
Infolge des größeren Temperaturhubes zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und den höheren absoluten Vorlauftemperaturen im Heizkreis gegenüber den Anlagen im WP-Effizienz-Projekt, werden für die Sole/Wasser-Wärmepumpen im Mittel Arbeitszahlen von 3,3 erreicht. Die Messergebnisse sind in Bild 5 dargestellt.
Der Trend des monatlichen Verlaufs der Arbeitszahlen ist vergleichbar mit dem der Wärmepumpen im „WP-Effizienz“, allerdings auf niedrigerem Niveau. Die Unterschiede zwischen Sommer- und Wintermonaten fallen im Gebäudebestand kleiner aus.
Luft/Wasser–Wärmepumpen im Praxisvergleich mit Geothermie
Bild 4 stellt die Arbeitszahlen für die Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen aus dem Projekt WP-Effizienz dar. Wie bei der Sole/Wasser-Wärmpumpenanlagen wurde die elektrische Zusatzheizung bei der Berechnung der Arbeitszahlen berücksichtigt.
Bei den Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen ergeben sich im Jahresverlauf wesentliche Unterschiede im Vergleich zu den Sole/Wasser-Wärmepumpen. Während sich für letztgenannte höhere Arbeitszahlen in den Übergangs- und Wintermonaten ergeben, zeigen Luftanlagen ihre Stärke in der Übergangszeit und teilweise in den Sommermonaten. Ähnlich wie bei den Erdreich-Anlagen sorgt die Trinkwassererwärmung im Sommer für höhere Vorlauftemperaturen, verringert den positiven Einfluss der höheren Wärmequellentemperatur und führt somit zu den geringeren Arbeitszahlen. Anders als bei den Erdreich-Anlagen stehen Luft-Anlagen im Winter geringere Wärmequellentemperaturen zur Verfügung, was sich wiederum in niedrigeren Arbeitszahlen auswirkt.
Da der Wärmebedarf der Gebäude unabhängig von der Wärmequelle ist, verhalten sich die jeweils erzeugten Energien im Jahresverlauf, relativ sowie absolut, wie jene der Erdreichanlagen. Somit findet die wesentliche Gewichtung der Arbeitszahlen für Luft-Anlagen auch für die diesbezüglich negativen Wintermonate statt, was sich in einer Arbeitszahl von 2,9 bei Neubau und 2,6 bei Bestandsgebäuden widerspiegelt, Bilder 4 und 6.
Die niedrigsten Monatsarbeitszahlen sind im Januar 2009 und 2010 zu beobachten. Das korreliert stark mit den niedrigsten Außentemperaturen für diese zwei Monate. Bei dem Projekt WP-Effizienz war die Anzahl der auswertbaren Anlagen erst mit Beginn der zweiten Heizperiode 2008/09 auf einem Niveau, das belastbare Auswertungen zulässt. Insgesamt wurden 18 Luft/Wasser-Wärmepumpen im Neubau und 35 im Bestand ausgewertet.
Die Aktivität des Heizstabs ist meistens sehr gering
Die Tabelle in Bild 7 zeigt die Anteile des Stromverbrauchs der einzelnen Komponenten bei Sole- und Luft/Wasserwärmepumpen aus dem Neubauprojekt.
Der Anteil der wärmequelleseitigen Komponenten ergibt bei beiden Wärmequellen sehr ähnliche Werte. Das Gleiche gilt für den Verdichter. Erfreulicherweise sind die Anteile der elektrischen Zusatzheizung jeweils auf sehr niedrigem Niveau. Im Fall der Erdreichanlagen sollten die Heizstäbe lediglich bei Ausfällen der Wärmepumpe oder der Unterstützung der Hausaustrocknung betrieben werden. Diese Strategie haben die Messdaten bestätigt. Nur bei rund 30 % der untersuchten Anlagen wurde eine signifikante Aktivität des Heizstabes festgestellt. Meistens hat es sich dabei um kurzfristige Ausfälle der Wärmepumpe gehandelt.
Die Aktivität des Heizstabes korreliert bei Erdreichanlagen kaum mit den Außentemperaturen, hingegen bei der Luft-Wärmepumpe ist diese Korrelation eindeutig gegeben. Bei fast allen untersuchten Anlagen wurde die Aktivität des Heizstabes in kältesten Monaten festgestellt. Dies bestätigt die bewusst gewählte Strategie bei der Wärmequelle Luft und weist auf richtige Dimensionierung und korrekte Arbeit der Wärmepumpe hin.
Installationsfehler führen zu Effizienzeinbußen
Bei beiden Projekten war die besondere Gelegenheit gegeben, die Arbeit der Wärmepumpenanlagen sowohl bei neu gebauten als auch bei Bestandsgebäuden unter realen Bedingungen zu untersuchen. Dabei wurden sowohl theoretische Zusammenhänge bestätigt als auch neue Erkenntnisse gewonnen.
Die Anlagen in neu gebauten Wohngebäuden weisen eine höhere Effizienz auf – die Fußbodenheizung verlangt niedrigere Temperaturen als die Radiatoren. Es ist daher wichtig, möglichst niedrige Temperaturen auch bei Bestandsgebäuden anzustreben. Die Installation der Fußbodenheizung kommt nur selten in Frage, allerdings lassen sich bestehende Radiatoren oft durch besser geeignete Modelle austauschen, um die Flächen für die Wärmeübertragung zu erhöhen.
Bei den Untersuchungen wurden viele Fehler bei der Installation der Anlagen festgestellt. Unterdimensionierte Wärmequellen bei Erdreichwärmepumpen, fehlender hydraulischer Abgleich, fehlerhafte Beladungstrategie der Speicher besonders bei Kombispeichern, falsche Temperaturspreizung sowohl bei der Wärmequelle als auch bei der Wärmesenke, nicht gedämmte Rohrleitungen, nicht gereinigte Filter bei Luft-Wärmepumpen und falsch eingestellte Regelparameter sind Fehler, die relativ einfach zu beheben sind, aber leider immer wieder auftreten. Eine sorgfältige und fehlerfreie Installation ist die beste Voraussetzung für eine gute Effizienz der Wärmepumpenanlagen.
Es wird oft angestrebt, eine hohe Effizienz durch besonders ausgeklügelte und komplizierte Systeme zu erreichen, wobei Studien sich allerdings widersprechen. Einfache und robuste Anlagen arbeiten in der Regel mit der höchsten Effizienz. Wer sich für eine Kombination aus mehreren Komponenten entscheidet und zum Beispiel zwei oder mehr Wärmeerzeuger bündeln will, sollte besonders auf die korrekte Installation und reibungslose Zusammenarbeit aller Komponenten achten. Auch die besten Komponenten können nicht effizient arbeiten, werden diese Aspekte nicht berücksichtigt.
Ausblick und Trends für die Zukunft
Die Wärmepumpenanlagen werden eine immer wichtigere Rolle auf dem deutschen Wärmemarkt spielen. Immer bessere Komponenten und zunehmend sorgfältigere Installationen lassen auf eine steigende Effizienz hoffen. Gleichzeitig steigende Anteile der erneuerbare Energien im Strommix verstärken dabei noch die ökologischen Vorteile der Wärmepumpenanlagen.
Derzeit wird außerdem die Rolle der Wärmepumpenanlagen in intelligenten Stromnetzen, Stichwort Smart Grid, diskutiert. Die Anlagen können zukünftig eine stabilisierende Rolle für das Stromnetz spielen, ähnlich wie die Elektroautos. Die Möglichkeit, die Wärme zu speichern und damit den Stromverbrauch kontrolliert zu verschieben, wird derzeit untersucht und scheint sehr attraktiv zu sein.
Ein weiteres Thema ist die Kombination von Wärmepumpenanlagen mit anderen Systemen, wie Solarkollektoren oder Photovoltaik. Bereits heute gibt es viele Anbieter auf dem Markt, die diese Kombinationen propagieren. Es werden aktuell breite wissenschaftliche Untersuchungen unter anderem am Fraunhofer ISE durchgeführt, die bei der Findung einer optimalen Kombination der erwähnten Systeme helfen werden.
Im Rahmen eines neuen Projektes „WP Monitor“ wird eine weitere unabhängige und hochqualitative Vermessung von rund 100 Wärmepumpen durchgeführt. Im Stil von WP-Effizienz werden die wesentlichen Größen zur Ermittlung der Jahresarbeitszahlen und zur Abbildung des Betriebsverhaltens minutengenau gemessen. Zur Verfügung stehen serienmäßig erhältliche Wärmepumpen von zwölf deutschen und österreichischen Herstellern. Unterstützt wird das Projekt von der EnBW Energie AG. Jede Anlage wird über mindestens 30 Monate vermessen und analysiert, wodurch die Berücksichtigung von wenigstens zwei Heiz- und Sommerperioden garantiert ist. Dank der Zustimmung der Bewohner und der Wärmepumpenhersteller steht auf der Webseite des Fraunhofer ISE für Interessierte die grafische, anonymisierte Auswertung mehrerer Wärmepumpenanlagen zur Verfügung. Neben Informationen über Gebäude und Wärmepumpenanlage werden Messdaten und Ergebnisse visualisiert. Die aktuellen Messwerte erlauben die Funktionsweise von Wärmepumpen unter realen Bedingungen besser kennenzulernen.
Zusammenfassung und Fazit
Die Wärmepumpensysteme sind aller Voraussicht nach in der Lage mit einer Effizienz zu arbeiten, die sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile gegenüber Systemen gewährleisten, die auf fossilen Brennstoffen basieren. Allerdings ist die hohe Effizienz nicht automatisch zu garantieren. Während der durchgeführten Feldtests wurden sowohl schlechte als auch sehr gute Installationen gefunden. Es gibt eindeutige Aspekte, die bereits bei der Auswahl des Wärmepumpensystems für die zukünftige Effizienz eine wichtige Rolle spielen. Die Wärmequelle und das Wärmeverteilungssystem determinieren gewissermaßen die zu erwartende Effizienz. Die erwähnten Aspekte sind aber nicht ausschließlich entscheidend. Ob die Bewohner letztendlich mit ihren Wärmepumpenanlagen zufrieden sind, hängt neben den Wärmepumpenherstellern in erster Linie von der Planung, den Installateuren und zuletzt auch von den Bewohnern selbst ab.
SBZ Spotlight
Häufige Fehler
Eine sorgfältige und fehlerfreie Planung und Installation ist die beste Voraussetzung für eine gute Effizienz der Wärmepumpenanlage. Folgende Fehler wurden in den Feldtests immer wieder beobachtet:
unterdimensionierte Wärmequellen bei Erdreichwärmepumpen
fehlender hydraulischer Abgleich
fehlerhafte Beladungstrategie der Speicher (besonders bei Kombispeichern)
falsche Temperaturspreizung sowohl bei der Wärmequelle als auch bei der Wärmesenke
nicht gedämmte Rohrleitungen
nicht gereinigte Filter bei Luft Wärmepumpen
falsch eingestellte Regelparameter
Einfache Anlagen bevorzugen
Es wird oft angestrebt, eine hohe Effizienz durch besonders ausgeklügelte und komplizierte Systeme zu erreichen. Einfache und robuste Anlagen arbeiten jedoch in der Regel mit der höchsten Effizienz. Wer sich für eine Kombination aus mehreren Komponenten entscheidet und zum Beispiel zwei oder mehr Wärmeerzeuger bündeln will, sollte besonders auf die korrekte Installation und reibungslose Zusammenarbeit aller Komponenten achten. Auch die besten Komponenten können nicht effizient arbeiten, wenn diese Aspekte nicht berücksichtigt werden.
Messdaten im Internet
Derzeit läuft das neue Forschungsvorhaben „WP Monitor“. Rund 100 Wärmepumpen im Feld werden zeitlich hochauflösend im Minutentakt vermessen. Auf der Website des Fraunhofer ISE sind aktuelle Messdaten samt grafischer Aufbereitung veröffentlicht.
Allerdings ist hierfür eine Zugangsberechtigung erforderlich. Verfolgen Sie hierzu den Link und gehen Sie in die Rubrik Auswertung und Messdaten:
Autor
Marek Miara ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ISE und leitet die Projekte WP-Effizienz und WP Monitor, 79110 Freiburg, Telefon (07 61) 45 88-0, marek.miara@ise.fraunhofer.de, https://www.ise.fraunhofer.de/
