Zuverlässig und klimafreundlich

Elektrische Wärmepumpen stellen im Neubau inzwischen die dominierende Heiztechnologie dar. Auch in Bestandsgebäuden funktionieren die Wärmeerzeuger.

Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.

In den vergangenen Jahren haben mehrere Studien [8, 1, 2] die zentrale Rolle von Wärmepumpen in der zukünftigen Wärmeversorgung von Gebäuden hervorgehoben. Die aktuelle Untersuchung „Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem“ des Fraunhofer ISE [4] hat dies noch einmal unterstrichen und präzisiert. Bei rein wirtschaftlicher Optimierung der Ausbaupfade in den einzelnen, sich gegenseitig beeinflussenden Sektoren müsste der Anteil von Wärmepumpen an den Heizsystemen von derzeit rund vier auf 13 Prozent im Jahr 2030 und auf 52 Prozent im Jahr 2050 steigen.

Die Zahlen verdeutlichen, dass mehr Wärmepumpen im Gebäudebestand nötig sind. Wie effizient elektrisch angetriebene Wärmepumpen in Bestandsbauten im realen Betrieb arbeiten, dazu lagen jedoch lange keine systematischen Erkenntnisse vor. Das Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand“ hat dies nun mit Fokus auf den Einfamilienhausbereich (EFH) ermittelt. Der vorliegende Beitrag soll einen Überblick zu den gemessenen Jahresarbeitszahlen (JAZ), den erforderlichen Heizkreistemperaturen und eine ökologische Einordnung der Ergebnisse wiedergeben. Damit enthält der Beitrag nur einen kleinen Ausschnitt der vorgenommenen Auswertungen. Im Projektbericht [5] können die Eigenschaften und Auswertungen zu jeder Anlage im Detail nachvollzogen werden.

Das BMWi-geförderte Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand“ (FKZ: 03ET1272A) lief von Dezember 2014 bis Juli 2019. Zum Projektkonsortium haben sich acht Wärmepumpenhersteller und drei Energieversorger unter Federführung des Fraunhofer ISE zusammengeschlossen. Im Fokus des Projekts standen zwei zentrale Forschungsthemen: das Lastmanagement mit Wärmepumpen sowie die Effizienzanalyse von Wärmepumpen im EFH-Bestand, wobei der vorliegende Beitrag ausschließlich letztgenanntes Thema behandelt. Die Projektpartner führten eine messtechnische Untersuchung an 56 Wärmepumpensystemen durch, die alle zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung eingesetzt wurden. Um auch die Betriebsbedingungen – allen voran die Heizkreistemperaturen – bewerten zu können, gab es ausführliche Befragungen der Anlagenbetreiber zum Zustand der Gebäude sowie der durchgeführten Sanierungsmaßnahmen.

Die untersuchten Anlagen

Die Wärmepumpen stammen einerseits von den teilnehmenden Wärmepumpenherstellern ait-deutschland, Bosch, Dimplex, Heliotherm, Stiebel Eltron, Vaillant, Viessmann und Weishaupt entsprechend vorab definierter Kriterien (u. a. marktverfügbare Geräte, Gebäude von vor 1995). Zum anderen hat das Fraunhofer ISE selbst neun Messobjekte zum Projekt eingebracht. Vor allem aufgrund der eng gefassten Kriterien zur Auswahl der Messobjekte, die den Projektzielen und einer möglichst vergleichbaren Datenbasis dienen sollten, wurden im Projektverlauf erst nach und nach Monitoring-Anlagen für das Projekt angemeldet. So stieg die Anzahl der untersuchten Wärmepumpen zuerst nur sehr langsam an. Daher wurde für die Hauptauswertung eine einjährige Messperiode am Ende des Projektes definiert, die von Juli 2018 bis Juni 2019 reichte. Für diesen Zeitraum erfolgte eine Auswertung von 53 Anlagen. Im Sinne einer vergleichbaren Datenbasis wird nachfolgend auf 29 Außenluft- und zwölf Erdreich-Wärmepumpen eingegangen. Die Eingrenzung der hier betrachteten Anzahl ist überwiegend auf die Systeme mit Brauchwasser-Wärmepumpen zurückzuführen, da diese nicht gemäß der nachfolgend betrachteten Bilanzgrenze zur Ermittlung der Jahresarbeitszahl (Abb. 3) bewertet werden können.

Das älteste Gebäude im Feldtest ist von 1850, das neueste von 2005. Eine Verteilung der Gebäude auf einzelne Baualtersperioden zeigt die Abbildung 1. Demnach ergibt sich eine Häufung in den Baualtersperioden 1949 bis 1979 mit 14 und 1980 bis 1994 mit 13 Messobjekten. In vier Fällen wurden Gebäude der Baualtersperiode 1995 bis 2005 im Projekt zugelassen, ein Baujahr konnte auch durch den Anlagenbetreiber nicht ermittelt werden. Außerdem enthält die Grafik die Häufigkeiten der Wärmeübergabesysteme. Dabei wird deutlich, dass über die Hälfte der Messobjekte mit Kombinationen aus Flächenheizungen und Heizkörpern ausgestattet sind, wobei diese vor allem in der Baualtersperiode 1980 bis 1994 auftreten. Etwa jedes fünfte System ist entweder ausschließlich mit Radiatoren oder ausschließlich mit Fußbodenheizung ausgestattet.

Die mittlere beheizte Wohnfläche der Gebäude (überwiegend Einfamilienhäuser) liegt bei 199 m², bei einer Bandbreite von 91 bis 423 m². Der witterungsbereinigte spezifische Heizwärmeverbrauch reicht von 48 bis 233 kWh/(m²·a) und liegt im Mittel bei 110 kWh/(m²·a). Alle bis 1979 errichteten Gebäude wurden mindestens teilsaniert. Der heutige energetische Gebäudezustand liegt zwischen den Vorgaben der Wärmeschutzverordnung 1977 (WSchV´77) und der WSchV’95. Die nach 1979 errichteten Gebäude erhielten keine oder aus energetischer Sicht nur eine geringfügige Sanierung. Ihr energetischer Gebäudezustand bewegt sich in etwa auf dem Niveau der WSchV’95.

Zum Stand der Technik ist hervorzuheben, dass knapp 75 Prozent der Wärmepumpen in den Jahren 2013 bis 2016 installiert wurden. Bezüglich der Wärmequellen sind alle Erdreich-Anlagen mit konventionellen Erdwärmesonden ausgestattet. Bei den Außenluft-Wärmepumpen handelt es sich ausschließlich um direktverdampfende Geräte. Eine Relevanz für die Effizienzanalyse haben auch die Norm-Leistungszahlen und damit die prinzipielle Güte der einzelnen Fabrikate. So reichen diese beispielsweise für die Wärmepumpen ohne Leistungsregelung bei den Außenluft-Wärmepumpen von 3,2 bis 4,2 (A2/W35) und bei den Erdreich-Wärmepumpen von 4,5 bis 5,0 (B0/W35).

Weitere Eigenschaften der Wärmepumpen gibt die Abbildung 2 wieder. Sie verdeutlicht, dass sechs der 29 Außenluft-Wärmepumpen als bivalente Systeme ausgeführt sind, während die Erdreich-Wärmepumpen ausschließlich monovalent oder monoenergetisch betrieben werden. Dafür wird bei drei der zwölf Erdreich-Wärmepumpen ein Teil des Trinkwassers durch eine Solarthermieanlage erwärmt. Über eine Möglichkeit der Leistungsanpassung mittels Inverter geregelter Verdichter verfügt etwa die Hälfte aller Außenluft-Wärmepumpen. Die übrigen Wärmepumpen teilen sich etwa hälftig in Anlagen mit zwei Verdichterstufen sowie ohne Möglichkeit einer Leistungsanpassung. Bei den Erdreich-Wärmepumpen spielt die Leistungsregelung fast keine Rolle.

Die Messergebnisse

Die Bilanzgrenze zur Ermittlung der Jahresarbeitszahlen ist in der Abbildung 3 dargestellt. Es wird der Elektroenergieverbrauch von Verdichter, Steuerung und Solepumpe bzw. Ventilator sowie der Heizstäbe berücksichtigt. Die bereitgestellte thermische Energie wird direkt nach der Wärmepumpe und somit vor etwaigen Speichern gemessen. Ausführliche Informationen zum Messkonzept stehen in Quelle [5].

In der Abbildung 4 stehen im oberen Bereich die JAZ, getrennt nach den Wärmequellen Außenluft und Erdreich. Die Außenluft-Wärmepumpen erreichten eine JAZ von 2,5 bis 3,8 bei einem Mittelwert von 3,1. Zwei Ausreißer mit 4,1 und 4,6 werden in der Mittelwertbildung nicht berücksichtigt. Die JAZ der Erdreich-Wärmepumpen liegen auf dem zu erwartenden höheren Niveau und reichen von 3,3 bis 4,7, bei einem Mittelwert von 4,1. Hinzu kommt ein negativer Ausreißer von 1,8. In den Bandbreiten an JAZ spiegelt sich die Vielzahl an Effizienzeinflüssen wider, die unter anderem von den Normleistungszahlen über die quellen- und senkenseitigen Temperaturen bis hin zum Betrieb der Elektroheizstäbe reicht. Auf die Heizkreistemperaturen wird anhand der Abbildung 5 näher eingegangen. Die Energieverbräuche der Elektroheizstäbe spielen bei den untersuchten Anlagen eine untergeordnete Rolle. Bezogen auf alle mit Elektroheizstab ausgestatteten Außenluft-Wärmepumpen (24 von 29, 4 ohne Elektroheizstab sind bivalente Systeme) beträgt die – auf die Verdichterarbeit bezogene – relative Heizstabarbeit 1,9 Prozent. Signifikanter Heizstabbetrieb wurde lediglich infolge falscher Parametrierung, bei Anlagendefekt (eine Anlage) oder im Legionellenbetrieb gemessen. Bei den Erdreich-Wärmepumpen verfügen zehn von zwölf Anlagen über Heizstäbe, wobei nur zwei Anlagen diese kurz in Betrieb genommen haben.

Im unteren Bereich der Abbildung 4 erfolgt eine Abschätzung der Einsparungen an CO₂-Äquivalenten der untersuchten Wärmepumpen gegenüber einem Gas-Brennwertkessel. Zum Zuge kam hierfür ein vereinfachter bilanzieller Ansatz auf Jahresbasis; nähere Informationen dazu stehen in Quelle [5]. Als Wärmeerzeugereffizienz werden die geringste und höchste im Feldtest ermittelte JAZ (ohne Ausreißer) angesetzt. Der Jahresnutzungsgrad von 86,6 Prozent (bezogen auf den Brennwert) für den Gaskessel wurde ebenfalls im Rahmen einer Felduntersuchung [9] ermittelt. Unter Berücksichtigung der Emissionsfaktoren für 2018 liegen die Einsparungen zwischen 19 und 57 Prozent. Anhand der Projektion auf zukünftige Emissionsfaktoren lässt sich der positive Beitrag zunehmender Durchdringung regenerativer Erzeuger im Stromsektor nachvollziehen. In einem diesbezüglich konservativen Szenario lägen die Einsparungen im Jahr 2030 zwischen 47 und 76 Prozent. Das optimistische Szenario, das auf der Einhaltung der im Klimaschutzplan der Bundesregierung formulierten Ziele einer Treibhausgas-Reduktion um 95 Prozent bis zum Jahr 2050 beruht, würde zu Einsparungen zwischen 60 und 80 Prozent führen.

Zur Einordnung der Ergebnisse vor dem Hintergrund des Wärmepumpenbetriebs im Altbau zeigt die Abbildung 5 die JAZ der 29 Außenluft-Wärmepumpen über die Baujahre der Gebäude. Hinzu kommen als Haupteinfluss auf die Wärmepumpeneffizienz die zur Raumheizung im Mittel erforderlichen Temperaturen. Ursache für die Relevanz der Heizkreistemperatur ist, dass der Anteil der Raumheizung an der gesamten von der Wärmepumpe bereitgestellten Energie im Mittel bei 85 Prozent liegt. Die mittleren von der Wärmepumpe erbrachten Heizkreistemperaturen (energetisch gewichtetes Mittel aus Vor- und Rücklauf über die Auswerteperiode) sind farblich hervorgehoben. Diese liegen im Schnitt bei 36,5 °C und reichen von 29,8 bis 43,1 °C, was zuerst einem weniger zu erwartenden geringen Niveau entspricht. Die maximalen Heizkreisvorlauftemperaturen reichen von 34,6 bis 52,4 °C (Tageswert) und wurden im Mittel bei einer Außenlufttemperatur von lediglich -3,0 °C ermittelt. Damit wird einerseits deutlich, dass die erforderlichen Heizkreistemperaturen bei Normauslegungstemperatur entsprechend höher ausgefallen wären. Andererseits sollten diese maximal erforderlichen Temperaturen nicht zur Prognose der JAZ herangezogen werden. Hierfür sind die mittleren Heizkreistemperaturen entscheidend, die gemäß eingestellter Heizkurve während den am häufigsten auftretenden Außenlufttemperaturen (im Feldtest: 4 °C) erforderlich sind.

Die in der Abbildung 5 dargestellten JAZ zeigen keine Abhängigkeit zum Baualter der Gebäude. Ohne Berücksichtigung der beiden Ausreißer ist eine relativ gleichmäßige Streuung der JAZ um den Mittelwert zu sehen. Demgegenüber ist der zu erwartende Zusammenhang zwischen JAZ und erforderlicher Temperatur zur Raumheizung erkennbar. Die erforderlichen Temperaturen zur Raumheizung beruhen vor allem auf der jeweiligen Kombination aus spezifischem Heizwärmebedarf und den installierten Wärmeübergabesystemen und deren Auslegung. Wie eingangs erwähnt, wurden die „älteren“ Gebäude mindestens teilsaniert und haben sich im Hinblick auf die energetische Qualität den „neueren“ Gebäuden angenähert. Auch die Verteilung der Wärmeübergabesysteme auf die Baualtersperioden zeigt lediglich für die Jahre 1980 bis 1994 eine nennenswerte Abweichung. Damit ergeben sich unabhängig vom Baualter ähnliche Bandbreiten mittlerer Heizkreistemperaturen und entsprechend ähnliche Bandbreiten an Jahresarbeitszahlen.

Fazit und Ausblick

Im Vergleich zu vorherigen Feldtests [7, 6] kam es seltener zu Störungen und offensichtliche – im Rahmen der Messung erkennbare – Fehler traten vergleichsweise selten auf. Die Ergebnisse aus Messung und Recherche zu den Messobjekten zeigen, dass eine Sanierung auf energetischen Neubaustandard nicht erforderlich ist, um Wärmepumpen ökologisch zweckmäßig zu betreiben. Das Baujahr eines Gebäudes sollte zuerst kein Ausschlusskriterium für den Einsatz einer Wärmepumpe sein, entscheidend sind die erforderlichen Temperaturen zur Raumheizung. Diesbezüglich sollten einer Effizienzprognose – und damit den ökologischen und ökonomischen Kennwerten – die mittleren und nicht die im Auslegungsfall erforderlichen Temperaturen zu Grunde gelegt werden.

Die JAZ von 1,8 für eine der untersuchten Erdreich-Wärmepumpen oder der Heizstabbetrieb infolge falscher Parametrierung zeigen jedoch die Grenzen eines zweckmäßigen Wärmepumpen-Betriebs und den Bedarf an adäquaten Maßnahmen von der Planung bis zur Wartung auf. Um diesen Fragestellungen der Qualitätssicherung zu begegnen, wurde Ende 2019 unter der Federführung des Fraunhofer ISE das neue BMWi-geförderte Forschungsprojekt „WP-QS im Bestand“ begonnen (FKZ: 03EN2029A).

Alle Ergebnisse des in diesem Artikel vorgestellten Forschungsprojekts „WPsmart im Bestand“ sowie vorheriger Wärmepumpen-Feldtests sind unter „Bisherige Feldtests“ auf folgender Website abrufbar: https://wp-monitoring.de

Quellen:

[1] The Boston Consulting Group (BCG)/PROGNOS (2018): Klimapfade für Deutschland. Studie im Auftrag des Bundesverbandes der Deutschen Industrie (BDI).

[2] Deutsche Energie-Agentur (2017): Gebäudestudie – Szenarien für eine marktwirtschaftliche Klima- und Ressourcenschutzpolitik 2050 im Gebäudesektor.

[3] Gemis 5.0. Globales Emissions-Modell integrierter Systeme. Edited by IINAS GmbH – Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien.

[4] Sterchele et. al.: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE; Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem – Die deutsche Energiewende; Freiburg, Februar 2020.

[5] Günther et. al.: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE; Wärmepumpen in Bestandsgebäuden – Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand“; Freiburg, Juli 2020.

[6] Günther et. al.: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE; „WP Monitor“ – Feldmessung von Wärme-pumpenanlagen; Freiburg, 2014.

[7] Miara et. al.: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE; Wärmepumpen Effizienz – Messtechnische Untersuchung von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Betrieb; Freiburg, 2011.

[8] Fraunhofer IWES/IBP (2017): Wärmewende 2030. Schlüsseltechnologien zur Erreichung der mittel- und langfristigen Klimaschutzziele im Gebäudesektor. Studie im Auftrag von Agora Energiewende.

[9] Wolff et. al.: Fachhochschule Braunschweig Wolfenbüttel; Felduntersuchung: Betriebsverhalten von Heizungsanlagen mit Gas-Brennwertkesseln; Wolfenbüttel, April 2004.