Feldtest „WPsmart im Bestand“ bestätigt: Wärmepumpen in Bestandsgebäuden sinnvoll einsetzbar

  

(10.8.2020) Wärmepumpen sind im Neubau inzwischen die dominierende Heiztechnologie. Doch auch in Bestandsgebäuden können sie zuverlässig und ökologisch vorteilhaft funktionieren - zu diesem Ergebnis kommt ein gerade abgeschlossenes Forschungsprojekt des Fraunhofer-In­sti­tuts für Solare Energiesysteme ISE.

Im Rahmen des fünfjährigen Projektes „WPsmart im Bestand“ untersuchten die Wissenschaftler 56 bestehende Gebäude mit Wärmepumpen:

• Die Geräte funktionierten meist einwandfrei, beim Betrieb kam es nur selten zu Störungen.
• Die auf Basis von Messungen errechneten CO₂-Emissionen lagen im Vergleich zu Erdgas-Brennwertheizungen um 19% bis 57% niedriger.

Wie auch im Neubau wird die Effizienz maßgeblich von der erforderlichen Heizkreistemperatur beeinflusst, die aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Heizwärmebedarfe und Wärmeübergabesysteme eine große Bandbreite aufweist.

Fast jeder zweite Neubau heizt inzwischen mit einer Wärmepumpe: 2019 entschieden sich 46% der Gebäudeeigentümer für eine Wärmepumpe zur Bereitstellung von Heizwärme und Warmwasser (siehe Beitrag vom 1.6.2020). Ob sie auch in älteren Wohngebäuden genügend Wärme liefern und Kohlendioxid-Emissionen einsparen, dazu lagen lange keine systematisch ermittelten Erkenntnisse vor. Für die Wärmewende ist dies jedoch zentral, denn ihr Erfolg hängt maßgeblich von der Sanierung des Gebäudebestandes und dem Einsatz einer klimaschonenden Wärmebereitstellung ab. Der Gebäudebestand benötigt über 30% des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutschland.

Nur selten Störungen, signifikante Vermeidung von CO₂-Emissionen

Mit der Ungewissheit ist nun Schluss. „Die Wärmepumpen in unserem Forschungsprojekt liefern die gewünschte Wärme zuverlässig, es gab kaum Betriebsstörungen“, betont Dr. Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer ISE. „Offensichtliche Fehler bei der Installation oder Parametrierung der Regler traten im Vergleich zu früheren Feldtests deutlich seltener auf. Dies ist auch auf den Zuwachs von Know-how bei Herstellern und Installateuren in den letzten zehn bis 15 Jahren zurückzuführen.“ Dennoch bestehe weiteres Verbesserungspotenzial, etwa durch weitere Qualitätssicherungsmaßnahmen bei Installation und Betrieb, unterstützt durch Möglichkeiten der Digitalisierung, fügt Herr Miara hinzu.

Klimafreundlicher als fossile Heizungen sind die untersuchten Wärmepumpen auch: 2018 lagen die auf Basis der Messungen errechneten Kohlendioxid-Emissionen der vermessenen Außenluft-Wärmepumpen um 19 bis 47% niedriger als dies bei Wärmeversorgung der gleichen Gebäude mit Gas-Brennwertheizungen der Fall gewesen wäre. Bei den Erdreich-Wärmepumpen lagen die entsprechenden Werte sogar bei 39 bis 57%. Und durch den weiteren Zubau von Windkraft und Photovoltaik werden sich die CO₂-Kennwerte für den Strom weiter verbessern, so dass die CO₂-Emissionen weiter sinken werden. Infolgedessen sind selbst bei einem pessimistischen Ökostromausbauszenario mittelfristig Einsparungen von mehr als 50 Prozent zu erwarten.

Jahresarbeitszahlen bis 4,7

Das Fraunhofer ISE konnte 41 Wärmepumpen mit gleichem Auswertzeitraum und einheitlicher Bilanzgrenze auswerten. Für den Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 hat das Institut 29 Außenluft-Wärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung analysiert. Die Anlagen erreichten Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8. Der Mittelwert lag bei 3,1. Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Bei den zwölf Erdreich-Wärmepumpen ermittelten die Forscher Jahresarbeitszahlen zwischen 3,3 und 4,7 bei einem Mittelwert von 4,1. Bei den Erdwärmepumpen wurde ein negativer Ausreißer nicht berücksichtigt.

Bandbreiten und Mittelwerte der Jahresarbeitszahlen sowie CO_{2 Äq}-Emissionseinsparungen gegenüber eines Gas-Brennwertkessels.

Heizkreistemperaturen geringer als erwartet

Die maximal zur Raumheizung erforderlichen Vorlauftemperaturen lagen für die 27 Au­ßenluft-Wärmepumpen im Mittel bei knapp 44°C, bei den elf Erdreich-Wärme­pum­pen waren es etwas über 45°C (jeweils ohne Ausreißer).

„Im Bestandsgebäudebereich werden oft die erforderlichen Heizkreistemperaturen im Normauslegungspunkt diskutiert, also die Heizkreistemperaturen bei sehr geringen Außentemperaturen um minus zwölf bis minus 16 Grad Celsius“, so Herr Miara. So bitterkalte Tage treten jedoch nur äußerst selten auf. „Ausschlaggebend für die Effizienz sind daher vor allem die erforderlichen Temperaturen, wenn am meisten geheizt wird, also bei Temperaturen knapp über null Grad Celsius“, erklärt der Wärmepumpen-Ex­perte. „Die seltenen Extreme fallen daher in der Jahresbilanz kaum ins Gewicht.“

Elektroheizstäbe waren selten in Betrieb

Die Energieverbräuche der Elektroheizstäbe, die bei besonders kalten Temperaturen die Wärmepumpe unterstützen sollen, spielen bei den vermessenen Anlagen eine untergeordnete Rolle. Bezogen auf alle mit Elektroheizstab ausgestatteten Außenluft-Wärmepumpen (24 von 29) betrug der Anteil der Heizstabsarbeit 1,9%. Ein relevanter Heizstabbetrieb wurde lediglich infolge falscher Parametrierung, bei Defekten oder infolge von Legionellenvermeidung gemessen. Bei den Erdreich-Wärmepumpen nahmen nur zwei von zwölf Anlagen die Heizstäbe überhaupt in Betrieb.

Individuelle Bedingungen sind entscheidend, nicht das Alter der Gebäude

Nichtsdestotrotz: Die Nutzung von Wärmepumpen im Gebäudebestand ist kein Selbstläufer. „Ein erfolgreicher Betrieb hängt nicht nur von der Qualität und Effizienz der Wärmepumpe ab, sondern vor allem auch von äußeren Faktoren“, betont Dr. Miara. „Dazu gehört vor allem das energetische Niveau des Gebäudes und das installierte Wärmeübergabesystem.“

• Das Alter des Gebäudes ist nach den im Projekt erhobenen Daten nicht relevant.
• Auch ein Umstieg auf Flächenheizsysteme ist nicht zwangsläufig erforderlich, da die Ergebnisse zeigen, dass auch Heizkörper mit vergleichsweise geringen Temperaturen betrieben wurden. Zudem werden inzwischen Heizkörper angeboten, die bei gleichem Platzbedarf wesentlich geringere Heizkreistemperaturen benötigen.

„Der Gesamterfolg hängt von einer guten Planung und sorgfältigen Installation ab“, resümiert Herr Miara. Heizungsinstallateuren und Planern komme daher eine zentrale Rolle zu, so der Forscher.

Die im Projekt untersuchten Häuser sind zwischen 15 und 170 Jahre alt. Die vor der ersten Wärmeschutzverordnung 1979 errichteten Gebäude wurden in unterschiedlichem Ausmaß saniert, während die eher seltenen Sanierungsmaßnahmen bei den jüngeren Gebäuden kaum Einfluss auf die energetische Qualität der Gebäudehülle hatten. Der witterungsbereinigte spezifische Heizwärmeverbrauch aller Gebäude reicht von 50 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m²*a) bis 250 kWh/m²*a.

Auch die Einbindung in smarte Netze untersucht

  

Das Fraunhofer ISE untersuchte in dem Projekt auch die Einbindung elektrischer Wärmepumpen in ein intelligentes Stromnetz. Im Fokus standen die Funktionalitäten des SG-Ready-Labels, das Smart-Grid-fähige Wärmepumpen kennzeichnet - siehe auch Beitrag „,SG Ready‘: Wärmepumpen-Branche präpariert sich für's Smart Grid-Zeitalter“ vom 12.11.2012.

Simulationsrechnungen haben die Zweckmäßigkeit der intelligenten Ansteuerung bestätigt und für eine Poolgröße ab 250 Wärmepumpen eine reproduzierbare Laständerung nachgewiesen. Im Rahmen der Felduntersuchung von neun via SG-Ready angesteuerten Wärmepumpen konnten die technische Implementierung erprobt und die Einflüsse der smarten Regelansätze sowie der Eigenschaften der Anlagen auf die Lastverschiebung ermittelt werden.

Neues Monitoring-Projekt angelaufen – Beteiligung noch möglich

Von 2020 bis 2022 wird das Institut noch einmal drei weitere Jahre Wärmepumpen-Know-how sammeln: Anfang des Jahres startete das neue Forschungsprojekt „WP-Qualitätssicherung im Bestand“. Unter der Leitung des Fraunhofer ISE findet mit vielen Partnern eine Feldmessung mit bis zu 100 Elektro-Wärmepumpen im Einfamilienhausbestand statt. Im Mittelpunkt steht die Qualitätssicherung für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb. Interessierte Hauseigentümer können sich hier bis Ende September 2020 registrieren. Gesucht werden Gebäude, die vor 1995 errichtet wurden.