Wie effizient allerdings sind die Wärmepumpenanlagen unter realen Bedingungen sowohl bei Neubauten als auch bei Bestandsgebäuden? Oder: Welche Optimierungsmöglichkeiten bestehen bei Installation, Regelung sowie Betrieb von Wärmepumpenanlagen? Um diese Fragen beantworten zu können, führt das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, seit mehreren Jahren umfangreiche Monitoring-Projekte durch, bei denen Wärmepumpenanlagen im Mittelpunkt der Untersuchung stehen.
Übersicht der Monitoringprojekte
Das Fraunhofer ISE startete im Jahr 2000 die erste Felduntersuchung von Wärmepumpen. In dieser Studie wurden mehr als 80 sogenannte Lüftungskompaktgeräte sowie erdreichgekoppelte Wärmepumpen in Solar-Passivhäusern untersucht. Zwei weitere Projekte wurden zwischen 2005 und 2010 durchgeführt. Basis war dabei die Erfassung der Volumenströme, Temperaturen, Wärmemengen und Stromverbräuche mit einer hohen zeitlichen Auflösung sowie die tägliche Datenfernabfrage, Speicherung und Auswertung am Institut. Die Messergebnisse erlaubten die Ermittlung von Effizienzkennwerten, die Analyse des Systemverhaltens und die Ableitung von Korrelationen zu Anlagenstammdaten. Der Startschuss für ein weiteres Projekt WP Monitor erfolgte dann Ende 2009 und bedeutete für das Fraunhofer ISE den Beginn des bereits vierten Projektes zum Monitoring von Wärmepumpen. Eine Übersicht zu den letzten drei Projekten wird in Bild 1 dargestellt.
Im Rahmen des Projekts WP-Effizienz wurden etwa 110 Wärmepumpenanlagen in neuen Einfamilienhäusern vermessen. Dies erfolgte in Zusammenarbeit mit sieben Wärmepumpenherstellern und den Energieversorgern EnBW und E.ON Energie. Projektspezifisches Ziel war die Ermittlung der Effizienz von elektrisch betriebenen Kompressionswärmepumpen in neu gebauten Einfamilienhäusern. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie förderte das Projekt zu 50 Prozent (Förderkennzeichen 0327401A). Durch die Energieversorger und die Hersteller wurde das Projekt inhaltlich begleitet und ebenfalls finanziell unterstützt.
Im Projekt WP im Bestand widmete sich das Fraunhofer ISE der Untersuchung von Wärmepumpen in unsanierten bzw. nur teilsanierten Bestandsgebäuden. Insgesamt wurden 80 Anlagen vermessen, die als Ersatz für Ölkessel installiert wurden. Im Rahmen dieses von der E.ON Energie AG finanzierten Projekts hat das Institut neben der Effizienz der eingesetzten Wärmepumpen auch die Sicherung der Wärmeversorgung der Gebäude geprüft und stellte einen ökologischen und wirtschaftlichen Vergleich gegenüber den vorher in diesen Gebäuden installierten Ölheizungen an.
Bei dem Projekt WP Monitor erfolgt eine unabhängige und hochqualitative Vermessung von rund 100 Wärmepumpen, wobei etwa 50 Anlagen aus WP-Effizienz übernommen wurden. Die Verlängerung der Vermessung ermöglicht die Generierung einer umfassenden Datenbasis für Langzeituntersuchungen. Teilweise können Messdaten über einen Zeitraum von bis zu sechs Heizperioden gesammelt werden, was beispielsweise bessere Möglichkeiten bei der Untersuchung der Wärmequelle Erdreich eröffnet. Zu den Projektpartnern bei WP Monitor zählen zwölf deutsche und österreichische Hersteller sowie die EnBW Energie AG.
Effizienz der Wärmepumpenanlagen
Bei der Berechnung der Effizienzkenn-zahlen der Wärmepumpenanlagen den Arbeitszahlen ist die Definition unterschiedlicher Bilanzgrenzen möglich. Je nach Bilanzgrenze sind die angegebenen Effizienzwerte unterschiedlich zu betrachten. Eine übliche Bilanzierung, die u. a. auch im europäischen Projekt SEPEMO BUILD empfohlen wird, zeigt Bild 2. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die bereitgestellte thermische Energie direkt nach der Wärmepumpe bilanziert wird und Verluste durch Speicherung oder Wärmeverteilung somit nicht enthalten sind. Die thermische Energie wird zum Verbrauch der elektrischen Komponenten ins Verhältnis gesetzt. Zu diesen zählen der Verdichter und die Steuerung der Wärmepumpe sowie der Antrieb im Wärmequellenkreis (Ventilator, Sole- oder Brunnenpumpe) und der Heizstab.
Mittlere Arbeitszahlen
Die Effizienz der Wärmepumpenanlagen hängt von mehreren Aspekten ab. Bei rein theoretischer Betrachtung ist der Temperaturhub, also die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle (Verdampfungstemperatur) und der Wärmesenke (Verflüssigungstemperatur), entscheidend. Je kleiner der Temperaturhub, desto besser ist die theoretische Effizienz der Wärmepumpe. Bei gleicher Wärmequelle ist dabei die Vorlauftemperatur des Heizwassers maßgebend.
Die Ergebnisse aus den Felduntersuchungen bestätigen dies die 56 Anlagen im Neubau, die überwiegend mit Fußbodenheizung ausgestattet sind und damit relativ niedrige Vorlauftemperaturen benötigen, haben eine mittlere Arbeitszahl von 3,9 erreicht. Die 29 Wärmepumpenanlagen im Bestand, mit deutlich höheren Vorlauftemperaturen, erreichten eine mittlere Effizienz von 3,3 (Bild 3). Bei den Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen sind ähnliche Unterschiede zu beobachten die 18 Anlagen im Neubau haben im Schnitt eine Effizienz von 2,9 und die 20 Anlagen im Bestand von 2,6 erreicht. Bei der Analyse sind die Vorteile der Wärmequelle gut sichtbar. Da die meiste Heizenergie im Winter bereitzustellen ist, haben die erdreichgekoppelten Wärmepumpen gegenüber Anlagen mit Außenluft als Wärmequelle klare Vorteile, denn die mittleren Temperaturen aus dem Erdreich sind höher als die Außenlufttemperatur.
Die Werte in Klammern (Bild 3) zeigen die Ergebnisse der vorläufigen Auswertung des seit 2009 laufenden Projektes WP Monitor. Die Resultate deuten auf eine leichte Effizienzsteigerung der Wärmepumpenanlagen in den letzten Jahren hin. Bei den Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen isteine Erhöhung von 2,9 auf 3,1 zu sehen. Dies spiegelt unter anderem die in den letzten Jahren vorgenommenen Anstrengungen der Wärmepumpenhersteller wider, die Effizienz ihrer Wärmepumpen zu verbessern. Eine gute Wärmepumpe ist ein wichtiger Baustein für eine hohe Effizienz der gesamten Wärmepumpenanlage. Je besser die Leistungszahlen (COP-Werte, gemessen auf Testständen) der Wärmepumpen sind, desto größer ist die Chance auf eine gute Effizienz der Gesamtanlage.
Neben Temperaturhub und Leistungszahlen gibt es noch weitere Aspekte, die die Effizienz der Wärmepumpenanlagen stark beeinflussen können. Bild 4 stellt die Bandbreite der erreichten Effizienz von Sole/Wasser-Wärmepumpenanlagen im Neubau dar. Trotz ähnlicher Wärmequelle und Wärmesenke, ist die Bandbreite der Arbeitszahlen sehr groß. Natürlich gibt es auch innerhalb dieser Gruppe Schwankungen bei der Quellen- und Senkentemperatur, aber diese Unterschiede erklären nicht die große Differenz bei den Arbeitszahlen. Die Gründe sind vielmehr bei Planung, Installation und Betrieb zu suchen. Eine gute Planung verlangt nicht nur eine individuelle Auslegung der Wärmepumpe und die Berücksichtigung lokaler Bedingungen (Wärmequelle und Gebäude), sondern auch eine korrekte Anpassung von einzelnen Komponenten des Heizsystems. Wird zum Beispiel ein Pufferspeicher fehlerhaft eingebunden, kann die Effizienz des Systems massiv beeinträchtigt werden.
Der nächste Schritt, die Installation, ist von ebenso großer Bedeutung. Die sorgfältige Installation ist eine wichtige Voraussetzung für die spätere Effizienz und somit der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit und ökologischen Bilanz der Wärmepumpenanlage. Vor allem erstgenannter Aspekt ist ein Garant für die Zufriedenheit der Kunden. Bei der Auswahl der Installationsfirma ist deswegen darauf zu achten, dass die Mitarbeiter entsprechend geschult sind und Erfahrung mit Wärmepumpen haben.
Begrenzte Aussagekraft der Arbeitszahlen
Bei der Bewertung von Wärmepumpen steht die Arbeitszahl stets im Mittelpunkt. Ist jedoch die Effizienz, in Arbeitszahlen ausgedrückt, immer die richtige Größe, um Wärmepumpenanlagen zu beurteilen? Dieser Kennwert informiert per Definition über die Effizienz der Wärmebereitstellung, sagt allerdings nichts darüber aus, ob die Wärme zweckmäßig bereitgestellt und wie viel Energie verbraucht wurde.
Um das Problem besser verstehen zu können, ist die Betrachtung des Heizenergiebedarfs, speziell das Verhältnis zwischen Heizwärme- und Trinkwarmwasserbedarf, sehr hilfreich.
Um den Heizwärmebedarf eines Gebäudes zu decken, kann an zwei Stellschrauben gedreht werden: Der wärmeübertragenden Fläche und der Heizkreistemperatur. Da sich Letztere direkt in der Wärmepumpeneffizienz niederschlägt, sollte sie so gering wie möglich sein. Neue Gebäude verfügen zunehmend über großflächige Fußboden- oder Wandheizungen, die geringe Heizkreistemperaturen zulassen. In älteren Gebäuden sind meist kleinflächige Radiatoren installiert, wodurch die notwendige Heizleistung mit einer höheren Temperatur erreicht werden muss. Daraus lässt sich bereits ableiten, dass ein höherer Heizwärmebedarf einen Einfluss auf die Effizienz von Wärmepumpen hat. Bei der aktuellen Betrachtung sollen die Heizkreistemperaturen jedoch eine untergeordnete Rolle spielen. Die aktuelle Entwicklung hin zu immer geringeren Heizwärmebedarfen führt dazu, dass sich allein das Verhältnis zwischen Heizwärme- und Trinkwarmwasserbedarf zunehmend in der Effizienz niederschlägt. Im Rahmen des Monitoring-Projektes WP-Effizienz wurde eine mittlere Heizkreistemperatur von 36 °C bei geringer Streuung ermittelt. Der spezifische Heizenergiebedarf variierte hingegen deutlich zwischen 30 und 150 kWh/(m2a). Der Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung ist in diesem Bereich relativ konstant, da fast ausschließlich Einfamilienhäuser vermessen wurden. Die mittlere Beladetemperatur des Trinkwasserspeichers betrug 52 °C. Welches Ausmaß der Einfluss des Heizwärmebedarfs bei energieeffizienten Gebäuden haben kann, verdeutlicht Bild 5.
Es werden zwei identische Gebäude mit gleicher Nutzercharakteristik angenommen, die sich nur durch die energetische Qualität ihrer Hülle unterscheiden. Eines ist von durchschnittlicher Qualität [100 kWh/(m2a)], das andere erfüllt den Passivhaus-Standard [15 kWh/(m2a)]. Mittels der Gebäudefläche können absolute Energiebedarfe für Heizung und Trinkwassererwärmung ermittelt und ins Verhältnis gesetzt werden. Der sich daraus ergebende energetische Anteil für das Trinkwarmwasser bildet den Einstieg in das Diagramm. Das Gebäude mit der schlechteren Hülle hat einen Anteil von 11 Prozent. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Wärmepumpe im Mittel eine Temperatur von ca. 37 °C bereitstellen muss. Hieraus lässt sich eine theo-retische Effizienz von knapp 5,2 errechnen. Ganz anders das Passivhaus: Der hohe Anteil für Trinkwarmwasser hat eine entsprechend hohe mittlere Vorlauftemperatur von 44 °C zur Folge. Diese Temperatur lässt eine Effizienz von lediglich 4,3 zu.
Diese Zusammenhänge sollen im Wesentlichen zwei Dinge zeigen. Zum einen ergeben sich für Wärmepumpen innerhalb einer Gruppe Neubau allein durch die Unterschiede beim Heizwärmebedarf große Streuungen bei den Arbeitszahlen. Zum anderen darf der Begriff der Anlageneffizienz eben nur als solcher verstanden werden. Die Wärmepumpe im Passivhaus arbeitet fast die Hälfte ihrer Betriebszeit in einem Betriebspunkt, der nur eine geringe Effizienz zulässt. Dafür muss sie insgesamt wesentlich weniger Heizenergie bereitstellen und benötigt entsprechend weniger Elektroenergie. Im vorliegenden Beispiel verbraucht die Wärmepumpe in dem gut isolierten Haus trotz schlechterer Effizienz nur ein Drittel der Strommenge des Hauses mit dem hohen Heizenergiebedarf. Die Vorteile in Bezug auf die Kosten, die Primärenergieeinsparung sowie die Minderung der Emission von Treibhausgasen sind enorm.
Online Visualisierung der Messdaten
Bei dem Projekt WP Monitor wurde für alle Wärmepumpeninteressenten die Möglichkeit geschaffen, den Betrieb realer Wärmepumpen zu verfolgen. Hierfür wird auf der Projekt-Homepage (http://wp-monitor.ise.fraunhofer.de, unter Auswertung und Messdaten) der freie Zugang zu den Messdaten von momentan mehreren Wärmepumpenanlagen angeboten. Bild 6 stellt ein Beispiel für die Visualisierung dar. Neben einer Anlagenbeschreibung werden die wichtigsten Energiegrößen und Arbeitszahlen der einzelnen Monate gezeigt. Um Tageswerte aller Messgrößen einzusehen und damit das Betriebsverhalten studieren zu können, genügt ein Klick auf das Anlagenschema. Das Angebot wird kontinuierlich bis auf 30 Anlagen erweitert werden.
Zusammenfassung
Die Ergebnisse aus den Felduntersuchungen der Wärmepumpenanlagen, die unter der Leitung des Fraunhofer ISE laufen bzw. gelaufen sind, zeigen eine große Bandbreite der Effizienz der Wärmepumpenanlagen. Die Streuung ist teilweise durch theoretische Abhängigkeiten (z. B. unterschiedliche Wärmequellen und Wärmesenken) und die Güte der untersuchten Wärmepumpen (COP Werte) zu erklären. Eine ebenso wichtige Rolle spielt allerdings die Planung und Installation der Anlagen. Nur gut geplante und sorgfältig installierte Systeme versprechen eine hohe Effizienz. In diesem Fall haben die Wärmepumpenanlagen klare ökologische und primärenergetische Vorteile gegenüber fossil betriebenen Heizsystemen, und zwar unabhängig von der Wärmequelle.
Bei der Beurteilung der Wärmepumpenanlagen im Hinblick auf eine nachhaltige Energieversorgung ist die reine Effizienzbetrachtung jedoch nicht immer ausreichend. In jeder Hinsicht ist es günstiger, weniger Energie zu verbrauchen, manchmal auch mit zwangsläufig geringerer Effizienz, als mit sehr hoher Effizienz unnötig Ressourcen zu verbrauchen.
Die vorläufigen Ergebnisse aus der aktuellen Untersuchung WP Monitor deuten auf eine Steigerung der Effizienz der Wärmepumpenanlagen in den letzten Jahren hin. Eine erste ausführliche Auswertung der Messdaten aus dem Projekt ist nach der Heizperiode 2011/2012 geplant. -
Die Endberichte mit umfangreicher Auswertung der Messdaten aus den Projekten WP-Effizienz sowie WP im Gebäudebestand stehen auf folgenden Webseiten zur Verfügung:
https://wp-monitoring.ise.fraunhofer.de/wp-effizienz//
Dipl.-Ing. Marek Miara
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg
Dipl.-Wi.-Ing. (FH) Danny Günther
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg
