Aus TGA 7-8: Feldmonitoring

Nicht nur im Neubau effizient

Erbringen Wärmepumpen in Bestandsgebäuden die nötige Effizienz? Ein Feldmonitoring des Fraunhofer-Instituts stellt ihnen gute Noten aus. Durchgesetzt hat sich diese Erkenntnis jedoch noch nicht.

Von

Dr.-Ing. Marek Miara ist Business Developer Heat Pumps Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.

Wärmepumpen sind nur für Neubauten oder energetisch anspruchsvoll sanierte Gebäude geeignet! Dies ist eine gängige Auffassung, die heute in vielerlei Hinsicht als widerlegt gelten kann. Zum Glück – könnte man sagen – denn gerade die Bestandsgebäude sind entscheidend, um in Zukunft Klimaneutralität zu erreichen. Bei der Diskussion über die Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden ist das Hauptgegenargument die zu Grunde gelegte sehr hohe Heizkreisvorlauftemperatur. Diese würde zu einer schlechten Effizienz der Wärmepumpen führen und sei folglich ein Ausschlusskriterium für den Einsatz von Wärmepumpen. Dabei spielen zwei Fragestellungen eine Rolle. Zum einen: Können Wärmepumpen eigentlich die in Bestandsgebäuden notwendigen Vorlauftemperaturen liefern? Und zum anderen: Wie hoch sind die tatsächlich notwendigen Vorlauftemperaturen in der Praxis?

Notwendige Temperaturniveaus

Pauschal kann man sagen, dass Standard-Wärmepumpen ohne Probleme eine Vorlauftemperatur von 55° bis 60 °C erreichen können. So genannte „Hochtemperaturwärmepumpen” für den Einsatz in Wohngebäuden können ca. 65° bis 70 °C erzielen. Auf dem Markt sind auch Geräte verfügbar, die 75 °C erreichen können – zum Beispiel Wärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel Propan. Die erste Frage lässt sich also mit „ja” beantworten: Die heutigen Wärmepumpen sind allein (ohne den zusätzlichen direktelektrischen Heizstab) in der Lage, die in der Regel notwendigen Temperaturniveaus zu erreichen.

Die Ergebnisse aus einem umfangreichen Feldmonitoring von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden (Ein- und Zweifamilienhäuser), das am Fraunhofer ISE durchgeführt wurde, haben unter anderem gezeigt, dass die mittleren Vorlauftemperaturen relativ niedrig sind. Die hohen Vorlauftemperaturen wurden nur an den kältesten Tagen und nur bei einigen Wärmepumpenanlagen festgestellt. Diese Tage waren allerdings so selten, dass sie auf die Gesamteffizienz der Anlagen kaum einen Einfluss hatten. Selbst bei unsanierten Wohngebäuden mit alten Heizkörpern mussten Wärmepumpen eine Vorlauftemperatur von lediglich ca. 55 °C erzielen, um eine angenehme Raumwärme zu gewährleisten. Zu 75 bis 90 % wurde die erforderliche Heizwärme bei moderaten Außentemperaturen bereitgestellt. Dabei sind die erforderlichen Vorlauftemperaturen nicht sehr hoch, was zu guten Effizienzen führt.

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Effizienter Einsatz

Obwohl die Sanierungsmaßnahmen zur Reduzierung des Heizenergiebedarfs immer sinnvoll sind, ist eine (Voll-)Sanierung von Gebäuden manchmal nicht kurzfristig möglich. Entscheidend für den Einsatz von Wärmepumpen sind die erforderlichen Heizkreistemperaturen. In vielen alten Häusern sind die Wärmeübergabesysteme überdimensioniert. Dadurch ist es beim Tausch der Heizungsanlage meist möglich, die im System eingestellte Vorlauftemperatur abzusenken und die Wärmepumpe effizienter zu betreiben. In vielen weiteren Fällen wurden bereits Sanierungsschritte, wie ein Austausch der Fenster, unternommen. Auch dies reicht häufig aus, um eine Wärmepumpe effizient einzusetzen.

Mit Hilfe zusätzlicher, relativ kostengünstiger und kurzfristig umsetzbarer Maßnahmen lässt sich die Effizienz positiv beeinflussen. Dazu gehört der z.B. der Austausch von einzelnen Heizkörpern. Moderne Radiatoren können die gleiche Wärmemenge bei signifikant geringerer Heizkreislauftemperatur an den Raum übertragen. Solche einfachen Sanierungsmaßnahmen können oft der erste Schritt eines mittelfristigen Sanierungsfahrplans sein, mit dem sich später weitere Effizienzverbesserungen erzielen lassen. Ein verbreitetes Vorurteil ist, dass Wärmepumpen nur mit einer Fußboden- oder Wandheizung einsetzbar seien. Das ist jedoch nicht nur physikalisch falsch, sondern wird auch von tausenden mit Heizkörpern realisierten Wärmepumpensystemen widerlegt. Heizkörper erfordern nicht zwangsläufig „sehr hohe“ Vorlauftemperaturen. In der Feldstudie von Fraunhofer ISE hat nur eine Handvoll der Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen, die ausschließlich mit Heizkörpern ausgestattet waren, mittlere Heizkreistemperaturen von über 45 °C erreicht. Bei der Mehrheit der Anlagen lagen die Temperaturen sogar unter 40 °C.

Das Feldmonitoring

Das Fraunhofer ISE hat im Laufe von 20 Jahren rund 300 im Einsatz befindliche Wärmepumpenanlagen vermessen und die Arbeitszahlen dieser Anlagen ermittelt. Auf dem Bild 1 wurden die Ergebnisse aus zwei Projekten, die in Bestandsgebäuden durchgeführt wurden, dargestellt. Die Projekte wurden im Abstand von ungefähr zehn Jahren durchgeführt. Im ersten Projekt wurden überwiegend nicht sanierte Gebäude, die zu 90 % mit Heizkörpern beheizt wurden, untersucht. Im zweiten Projekt waren zwar alle Häuser zwischen 15 und 150 Jahre alt, aber einige waren teil- bzw. vollständig saniert worden. Alle Effizienzwerte wurden für Wärmepumpenanlagen, die sowohl der Raumheizung als auch der Trinkwassererwärmung dienten, ermittelt. Auch der Strombedarf der zusätzlichen Elektroheizstäbe wurde bei der Berechnung der Werte berücksichtigt (siehe Grafik 1).

© Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Grafik 1

Im Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 haben die 29 untersuchten Außenluft-Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8 erreicht. Der Mittelwert lag bei 3,1. Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ in vollsanierten Häusern wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Für die zwölf Erdreich-Wärmepumpen wurden JAZ zwischen 3,3 und 4,7, bei einem Mittelwert von 4,1, ermittelt. Diese hochaggregierten Werte vermitteln nur ein grobes Bild der untersuchten Wärmepumpenanlagen. Ein Beispiel für eine detailliertere Auswertung ist auf dem Bild 2 zu sehen. In der Grafik sind die jährlichen Effizienzergebnisse von 41 Luft-Wasser-Wärmepumpen während der Bereitstellung der Raumwärme dargestellt. Für jede Anlage sind die erreichte Effizienz sowie die maximale (Tages-)Vorlauftemperatur zu erkennen. Die drei Farben symbolisieren unterschiedliche Wärmeübergabesysteme (siehe Grafik 2).

© Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Grafik 2

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass das Bild sehr differenziert ist. Die meisten Ergebnisse liegen zwischen den Effizienzwerten von 3 und 4. Sowohl Anlagen mit Fußbodenheizung als auch solche mit Heizkörper erreichten ähnliche Effizienzwerte. Umgekehrt haben aber die sieben Anlagen, die mit einer sehr ähnlichen maximalen Vorlauftemperatur um 48 °C gearbeitet hatten, eine jährliche Effizienz von 1,5 bis 3,8 erreicht. Diese Erkenntnis zeigt auch, dass nicht allein das Wärmeübergabesystem entscheidend ist, sondern ebenso die sorgfältige Planung, Installation und Einstellung der Wärmepumpenanlage.

Aus technischer Sicht gibt es kaum Gründe, Wärmepumpen in Bestandsgebäuden nicht heute schon einzusetzen. Sicherlich ist die Herausforderung, eine passende technische Lösung zu finden und diese erfolgreich zu implementieren, in einigen Fällen größer als in anderen. Aber grundsätzlich gilt: Wärmepumpen arbeiten erfolgreich nicht nur beim Neubau, sondern auch im Bestand. Bedauerlicherweise hat sich diese Erkenntnis aber noch nicht ausreichend bei entscheidenden Berufsgruppen – wie Architekten, Energieberatern, Planern und Installateuren – durchgesetzt.