Fortschritte bei Wärmepumpen im Einfamilienhaus
Bei den Arbeiten für Wärmepumpen im Mehrfamilienhaus kann das Fraunhofer ISE auf mehr als zwölf Jahre Monitoring von Anlagen in Einfamilienhäusern aufbauen. Vor Kurzem konnte das Institut das erste Jahr des neuesten Feldtests "WP-smart im Bestand" von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden auswerten.
27 Anlagen haben mindestens elf Monate Einsatz hinter sich, am Ende des Projekts werden es 60 Anlagen sein. Die Gebäude sind älter als zwanzig Jahre; die meisten Häuser wurden in den Jahren 1950 bis 1995 gebaut. Der energetische Zustand reicht von unsaniert bis Neubaustandard, die Wärmeübergabesysteme umfassen Radiatoren, Konvektoren und Fußbodenheizungen. 15 Anlagen nutzen Außenluft als Wärmequelle, zwei davon werden bivalent, in Kombination mit einem fossilen Kessel betrieben. Keine der zwölf Erdreich-Anlagen besitzt einen fossilen Kessel, drei verfügen zusätzlich über Solarthermie.
Die Systemgrenze zur Bestimmung der Jahresarbeitszahlen schließt bei den "WPsmart"-Messungen folgende elektrische Verbraucher als Input ein: Wärmepumpe, Wärmequellenantrieb (Solepumpe bzw. Ventilator) und Heizstab. Der thermische Output wird vor dem Speicher gemessen. Die mittlere Jahresarbeitszahl JAZ beträgt 3,1 für Außenluft-Anlagen beziehungsweise 3,7 für Erdreich-Anlagen. Die JAZ liegen damit um 19 beziehungsweise zwölf Prozent über den Werten einer ähnlichen Messkampagne in Bestandsbauten vor rund zehn Jahren.
Im aktuellen Projekt sind die Heizkreistemperaturen in den Anlagen im Schnitt geringer als in dem damaligen Projekt und damit günstiger für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb. Die Ursachen hierfür sind vielfältig. Zum einen haben die jetzt untersuchten Gebäude einen (leicht) geringeren Wärmebedarf und damit das Potential für geringere Heizkreistemperaturen. Zum anderen können verbesserte Auslegung und Installation die Betriebstemperaturen verringern. Einen weiteren Beitrag zur Anhebung der Jahresarbeitszahlen liefern die Verbesserungen der Effizienz der Geräte selbst.
Abb. 3 stellt die Außenluft-Anlagen, sortiert nach aufsteigenden Jahresarbeitszahlen, dar.
Die Grafik zeigt den Einfluss der Heizkreistemperaturen und den Anteil der Trinkwassererwärmung an der Wärmebereitstellung. Über alle Anlagen gemittelt liegen die mittlere Heizkreistemperatur bei 35 °C, die mittlere Speicherladetemperatur bei 46 °C und der Anteil der Trinkwassererwärmung bei 15 Prozent. Der Mittelwert der Jahresarbeitszahl beträgt 3,1.
Die Grafik zeigt auch, wie gering der Einsatz des Heizstabs ist. Neun Anlagen nutzten ihn gar nicht. Nur bei der Anlage mit der Nummer 14 lieferte er mit acht Prozent an dem Energiebezug für Heizstab und Verdichter einen signifikanten Anteil.
Abb. 4 zeigt die gleichen Auswertungen für die Erdreich-Anlagen.
Anlage Nummer 1 ist ein Ausreißer. Der Grund liegt in der hohen Vorlauftemperatur, die im Mittel bei rund 52 °C lag. Neun Anlagen kamen ohne Einsatz des Heizstabs aus. Anlage Nummer 6 hat einen außergewöhnlich hohen Einsatz des Heizstabs. Eine falsche Programmierung der Steuerung hatte hier unnötig lange Laufzeiten des Heizstabs zur Folge.
Fazit und Ausblick
Die Ergebnisse des neuesten Feldtests "WPsmart im Bestand" zeigen, dass auch ohne Sanierung Wärmepumpen in älteren Gebäuden klimafreundlich einsetzbar sind. Bis auf die Erdreich-Anlage Nummer 1 reduzieren alle Anlagen die CO2-Emission gegenüber einem Gas-Brennwertkessel mit 90-prozentiger Auslastung um 20 bis 60 Prozent. Als statische Emissionsfaktoren wurden bei der Betrachtung für das CO2-Äquivalent nach GEMIS 530 g/kWh bei Elektroenergie und 245 g/kWh bei Erdgas verwendet.
Die Erfahrungen aus über zwölf Jahren Monitoring zeigen, dass es auf Qualität in jedem Detail ankommt. Es ist besser, ein einfaches und robustes System fehlerfrei zu installieren, als eine Anlage mit der besten theoretischen Effizienz fehlerhaft laufen zu lassen.
Typische Problembereiche sind unter anderem mangelnde Wärmedämmung von Rohren und Anschlüssen, fehlender hydraulischer Abgleich, ineffiziente Ladepumpe, ungünstige Verschaltung mit dem Wärmespeicher sowie zu hoch eingestellte Systemtemperaturen.
In die Neufassung der VDI-Richtlinie 4645 "Planung und Dimensionierung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern" hat das Institut seine Erkenntnisse aus den Monitoringprogrammen und den Projekten in seinem "ServiceLab Heat Pumps and Chillers" eingebracht. Für dieses Labor ist 2018 die Akkreditierung geplant.
[1] Studie "Was kostet die Energiewende": www.ise.fraunhofer.de/was-kostet-die-energiewende
[2] Website zum Wärmepumpen-Feldtest "WPsmart im Bestand": https://wp-monitoring.ise.fraunhofer.de/wp-smart-im-bestand/german/index/index.html
[3] Website zum Projekt "LowEx-Bestand": www.ise.fraunhofer.de/de/forschungsprojekte/lowex-bestand-analyse.html
[4] Website zum "ServiceLab Heat Pumps and Chillers": https://www.ise.fraunhofer.de/de/servicebereiche/servicelab-heat-pumps-and-chillers.html
[5] VDI-Richtlinie 4645 "Planung und Dimensionierung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern"
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