Wärmepumpenheizung im Feldversuch

Die Kosten für fossile Energieträger steigen aufgrund der aktuellen wirtschaftspolitischen Lage drastisch. Ein nachhaltiges und wirtschaftliches Beheizen von Gebäuden mit konventionellen Heizsystemen auf Brennstoffbasis ist derzeit kaum noch darstellbar. Einen Ausweg aus dieser Situation bietet die Wärmepumpentechnik.

Wärmepumpen arbeiten nach demselben Prinzip wie Kühlschränke. In einem Kreisprozess werden physikalische Effekte des Phasenübergangs einer Flüssigkeit (Kältemittel) in den gasförmigen Zustand und umgekehrt ausgenutzt. Dabei wird Wärme aus einer Wärmequelle (Umgebung) aufgenommen und mit höherer Temperatur an das zu beheizende Medium wieder abgegeben. Die erreichbaren Temperaturen hängen von den Eigenschaften der verwendeten Kältemittel ab. Für die Gebäudeheizung werden Wärmepumpen meist nach der eingesetzten Wärmequelle und Wärmeübertragung unterschieden. Die Einteilung ist oft wie folgt:

• Wasser/Wasser-Wärmepumpe: Als Wärmequelle dient Grund-, Oberflächen- oder Abwasser. Die Wärmeabgabe erfolgt über ein wasserführendes Heizsystem.
• Sole/Wasser-Wärmepumpe: Als Wärmequelle dienen überwiegend Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren. Die Wärmeabgabe erfolgt über ein wasserführendes Heizsystem.
• Luft/Wasser-Wärmepumpe: Als Wärmequelle dient Abluft oder Außenluft. Die Wärmeabgabe erfolgt über ein wasserführendes Heizsystem.
• Luft/Luft-Wärmepumpen: Als Wärmequelle dient Außenluft. Die Wärmeabgabe erfolgt über ein Luftgebläse.

Die Effizienz einer Wärmepumpe ist von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig. Dabei ist der wichtigste Parameter der erforderliche Temperaturhub. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist, desto weniger Energie muss für den Antrieb der Wärmepumpe aufgewendet werden. Daher ist eine Wärmequelle mit hoher und eine Wärmesenke mit geringer Temperatur vorteilhaft, um einen möglichst geringen Temperaturhub realisieren zu müssen. Geringe Temperaturen bei der Wärmeabgabe werden durch niedrige Wärmewiderstände möglich. In der Praxis sind geringe Wärmewiderstände durch Flächenheizungen realisierbar.

Für die quantitative Beschreibung der Wärmepumpeneffizienz wird die sogenannte Leistungszahl (COP: coefficient of performance) verwendet. Die Leistungszahl wird durch das Verhältnis von erzeugter Wärmeleistung zu eingesetzter elektrischer Leistung definiert. Da aus energetischer Sicht zum Betrieb der gesamten Heizungsanlage aber noch weitere Aggregate notwendig sind, die im COP-Wert nicht erfasst werden, hat sich als wichtigster Effizienzparameter die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) etabliert. Die Jahresarbeitszahl wird gebildet durch das Verhältnis der erzeugten Wärme zur elektrischen Energie, die für den Betrieb der gesamten Heizungsanlage (bezogen auf ein Jahr) erforderlich ist.

Auf Basis der Jahresarbeitszahlen können die oben aufgeführten Wärmepumpentypen bezüglich ihrer typisch erreichbaren Effizienz verglichen werden. Wärmepumpen mit wasserbasierten Wärmequellen erreichen demnach hohe Jahresarbeitszahlen, während die luftbasierten Typen darunter liegen. Gegen den ausschließlichen Einsatz wasserbasierter Wärmepumpen spricht der höhere bauliche und finanzielle Aufwand sowie oft auch die nicht umsetzbare Erschließung der benötigten Wärmequellen. Aus diesen Gründen werden luftbasierte Wärmepumpen häufiger eingesetzt.

In diesem Beitrag werden die Energieverbräuche sowie die Jahresarbeitszahlen einer elektrisch betriebenen Sole/Wasser-Wärmepumpenheizanlage im saisonalen Verlauf untersucht und bewertet. Dazu wurde der Heizbetrieb eines Gebäudes über nahezu zwei Jahre (Zeitraum: 08/2020 bis 07/2022) betrachtet und die entsprechenden Betriebswerte gemessen und gesammelt. Die im Gebäude zur Beheizung der Räume und Flure eingesetzten Heizkörper (Wärmesenken) bestehen aus Platten- und Rippenheizkörpern sowie Fußbodenheizungen. Die Wärmepumpe wird ebenfalls zur Trinkwassererwärmung eingesetzt.

Verbrauchsverläufe der Heizungsanlage

Über einen Zeitraum von fast zwei Jahren wurde wöchentlich die von der Heizungsanlage aufgenommene elektrische Energie sowie die an das Gebäude abgegebene Wärmemenge gemessen. Mit den gesammelten Daten wurden das Betriebsverhalten und weitere statistische Eigenschaften der Anlage untersucht. Das Diagramm in Abbildung 1 stellt die zeitlichen Verläufe des Verbrauchs an elektrischer Energie sowie an Wärme der Heizanlage in kWh/a dar (Anm.: Aus physikalischer Sicht handelt es sich hierbei um Leistungen. Aber der typische Erfahrungswert ist kWh pro Jahr. Daher wird in diesem Beitrag durchgängig auf diese Darstellung zurückgegriffen).

Die Verläufe beider Kurven folgen grundsätzlich dem charakteristischen Jahrestemperaturverlauf. In den Sommermonaten wird der Energiebedarf im Wesentlichen durch die Trinkwassererwärmung bestimmt. Der elektrische Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung kann im Jahresverlauf als etwa konstant angenommen werden und liegt bei ungefähr 1.200 kWh/a. Dieser Wert ergibt sich aus den Betriebszeiten der Wärmepumpe und entspricht etwa 20 Prozent des mittleren Jahresbedarfs an Elektroenergie. Die Verläufe der beiden Verbrauchskurven sind zwar grundsätzlich gleich, zeigen zu bestimmten Zeiten allerdings Abweichungen. Die Ursache für die Abweichungen liegt in der schwankenden Jahresarbeitszahl der Anlage. Das Diagramm in Abbildung 2 zeigt dazu den Verlauf der Jahresarbeitszahl über den untersuchten Zeitraum im Vergleich zum Elektroenergieverlauf. Es ist zu erkennen, dass die Jahresarbeitszahl in den Sommermonaten deutlich geringer ist. Der Grund hierfür ist das Aussetzen der Gebäudebeheizung und der damit verbleibende, fast ausschließliche Trinkwassererwärmungsbetrieb der Wärmepumpenanlage. Da bei der Trinkwassererwärmung deutlich höhere Temperaturen erzeugt werden, geht die Effizienz der Wärmepumpe entsprechend zurück. Auch während der Heizperiode schwankt die Jahresarbeitszahl. Es ist aus den Verläufen zu erkennen, dass in Phasen erhöhten Energiebedarfs (bedingt durch niedrige Außentemperaturen) die Jahresarbeitszahl ebenfalls zurückgeht. Auch hier liegt die Ursache im erhöhten Temperaturbedarf für eine adäquate Gebäudebeheizung.

Um das Betriebsverhalten der Wärmepumpenheizanlage quantitativ zu bewerten, wurden aus den Verlaufswerten saisonale Betriebswerte abgeleitet. Die saisonalen Werte wurden für die vier Jahreszeiten in Durchschnittswerten zusammengefasst. Bezogen auf den Jahresmittelwert von etwa 5.750 kWh steigt der elektrische Energiebedarf auf durchschnittliche 10.150 kWh/a (ca. +77 %) im Winterbetrieb an und fällt im Sommerbetrieb auf etwa 1.770 kWh/a (-70 %) zurück. Diese enorme Bedarfsspreizung ist insbesondere bei der elektrischen Energieversorgung und der damit verbundenen Kosten- und Abschlagsplanung gezielt zu berücksichtigen.

Wiederum bezogen auf den Jahresmittelwert von 4,82 erreicht die Wärmepumpe ihre höchste Effizienz im Herbst mit einer durchschnittlichen JAZ von 4,96 (+3 %). Die geringste Effizienz hat die Wärmepumpe dagegen im Sommerbetrieb mit einer durchschnittlichen JAZ von 3,97 (-17,5 %). Ergänzend zu den saisonalen Durchschnittswerten wurden auch die im Verlauf des Anlagenbetriebs gemessenen Minimal- und Maximalwerte von Energieverbrauch und Jahresarbeitszahl erfasst.

Fazit

Die Differenz von 1,76 zwischen maximaler und minimaler Jahresarbeitszahl zeigt die starke Abhängigkeit der Effizienz der Wärmepumpe von der zu erzeugenden Heiztemperatur. Dies lässt sich (hauptsächlich bedingt durch den saisonalen Temperaturverlauf) nicht wesentlich ändern. Die mit dem saisonalen Temperaturverlauf verbundenen großen Unterschiede beim Verbrauch elektrischer Energie (Faktor 3,6) müssen in der energetischen Planung berücksichtigt werden. Hier kommt es aufgrund zu kurzer Betrachtungszeiträume nach der Neuinstallation von Wärmepumpenheizanlagen oft zu Fehleinschätzungen des Energiebedarfs. Erst nach Ablauf eines vollen Betriebsjahres liegt der tatsächliche Bedarf für den Jahresverbrauch vor. Allerdings sind auch die Durchschnittswerte aus dem Frühjahr geeignet, den Jahresbedarf zu prognostizieren. Winter- und Sommerwerte dagegen lassen keine verlässlichen Voraussagen zum Jahresverbrauch zu.