Wärmepumpen im Bestand

Teil 2: Einfluss des Sanierungszustands / Monitoring-Projekt

Das Ziel der sechsteiligen Artikel-Serie „Wärmepumpen im Bestand“ ist, Fragen rund um das Thema Wärmepumpen fundiert zu beantworten, Vorurteilen zu begegnen und eine gute Grundlage für die notwendigen Weichenstellungen für einen klimaneutralen Gebäudebestand zu schaffen. Dieser Teil widmet sich der Frage, welchen Einfluss der Sanierungszustand eines Hauses auf den Einbau einer Wärmepumpe hat, und stellt ein Monitoring-Projekt von Luft- und Erdreich-Wärmepumpen vor.

Muss ein Haus zuerst saniert werden, damit eine Wärmepumpe installiert werden kann?

Ganz klar: Je weniger Energie für die Erzeugung eines angenehmen Raumklimas benötigt wird, desto besser. Deshalb sind Sanierungsmaßnahmen zur Reduzierung des Heizenergiebedarfs immer sinnvoll. Dies gilt für alle Heizsysteme, nicht nur für Wärmepumpen.

Aus unterschiedlichen Gründen ist eine (Voll-)Sanierung von Gebäuden manchmal nicht kurzfristig möglich. Glücklicherweise müssen Häuser aber auch nicht umfassend saniert sein, um für den Einsatz von Wärmepumpen in Frage zu kommen. Natürlich ist der Wärmepumpenbetrieb umso effizienter, je geringer die Wärmeverluste sind. Sowohl das Portemonnaie der Bewohner als auch die Ökologie profitieren von einem möglichst geringen Einsatz von Heizenergie.

Entscheidend für den Einsatz von Wärmepumpen sind aber die erforderlichen Heizkreistemperaturen (siehe Artikel in KKA 3/2021). 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 weiteres verbreitetes Vorurteil ist, dass Wärmepumpen nur mit einer Fußboden- oder Wandheizung einsetzbar sein. 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 unserer Feldstudie 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.

Werden Bestandsgebäude mit Wärmepumpen überhaupt angenehm warm?

Der wichtigste Punkt für die Bewohner ist sicherlich: Ist die Raumtemperatur für die Bewohner angenehm, auch wenn es draußen sehr kalt ist? In den ersten zwei Februarwochen 2021 war es in Deutschland ziemlich kalt. Eine ganz aktuelle Auswertung von 20 Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen, bei denen die Messwerte am Fraunhofer ISE kontinuierlich erfasst werden, hat folgendes gezeigt: Die mittlere Außenlufttemperatur bei den ausgewerteten Wärmepumpen betrug in dieser Zeit -3,6 °C (Wie kalt das ist, zeigt der Umstand, dass es in den letzten 50 Jahren nur fünf Monate mit mittleren Temperaturen unter -3,5 °C in Deutschland gab). Die Effizienz von 17 Anlagen (die drei besten in voll sanierten Häusern wurden nicht berücksichtigt) betrug in dieser Zeit 2,3, wobei die Bandbreite zwischen 1,6 und 2,8 lag – d.h. selbst bei so kalter Witterung konnte aus jeder Kilowattstunde Strom aus der Umgebungsluft mehr als doppelt so viel Wärme gewonnen werden. Die Anlage mit der niedrigsten Effizienz musste mit der niedrigsten mittleren Außenlufttemperatur von -10,2 °C arbeiten. Bei nur fünf Anlagen kamen die Heizstäbe zum Einsatz und wurden bei der Ermittlung der Effizienz berücksichtigt. Und von allen Anlagen wurde die gewünschte Heizwärme bereitgestellt.

Dass Wärmepumpen auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen erfolgreich eingesetzt werden können, zeigt sich auch daran, dass sie in Ländern mit deutlich strengeren Wintern, wie z.B. in Skandinavien, bereits weit verbreitet sind. Auf dem Markt gibt es Produkte, die sogar bei -25 °C ohne Heizstab arbeiten können.

Was passiert bei einer Sanierung nachträglich zum Einbau der Wärmepumpe?

Mit Blick auf die Sanierung wird zudem häufig gefragt: Was passiert, wenn zuerst eine Wärmepumpe installiert und erst später saniert wird? Wäre die Wärmepumpe dann überdimensioniert? Die nachträgliche Sanierung wird dann vor allem eine Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe mit sich bringen. Wärmepumpen liefern die benötigte Wärme sowohl im milden Herbst als auch im frostigen Winter, das heißt, sie müssen während der ganzen Heizperiode sehr flexibel reagieren können. Daher ist auch eine Überdimensionierung (außer in Extremfällen) kein großes technisches Problem.

Zudem sind Wärmepumpen mit Inverter-Technologie, die eine Leistungsregelung der Wärmepumpe ermöglichen und so einen flexiblen Leistungsbereich mit hoher Effizienz liefern können, mittlerweile fast zum Standard geworden.  

Es zeigt sich also, dass Wärmepumpen auch in Bestandsgebäuden sinnvoll einsetzbar sind. Dabei ist es zwar grundsätzlich immer besser, zuerst zu sanieren, aber es ist nicht zwingend notwendig. In den allermeisten Fällen ist eine gute Wärmepumpenlösung auch unsaniert (bzw. geringfügig saniert) realisierbar. Es gibt viele Installateure, die auf solche Fälle spezialisiert sind.

Was aber heißt „sinnvoll einsetzbar“? Die zwei wichtigsten Bewertungskriterien sind die Ökologie und Ökonomie. Beide Aspekte werden in späteren Folgen der Serie gesondert betrachtet.

Monitoring-Projekt von Luft- und Erdreich-Wärmepumpen

Die Frage, wie gut eine Wärmepumpe funktioniert, lässt sich anhand mehrerer Aspekte und Kennzahlen beantworten. In den meisten Fällen versteht man unter „wie gut“ im Grunde „wie effizient“. Die Effizienz wird zuerst im Labor unter bestimmten Arbeitsbedingungen ermittelt – konkret werden so genannte „Leistungszahlen“ (COP-Werte) bestimmt. Anhand dieser Werte ist es möglich, unterschiedliche Wärmepumpenmodelle miteinander zu vergleichen.

Etwas anschaulicher für die Endnutzer sind die auf Grundlage der COP und unter Berücksichtigung konkreter Betriebsparameter berechneten Arbeitszahlen. Diese geben an, welche Effizienz bei bestimmten Außentemperaturen und Heizungstemperaturen zu erwarten ist. So ist es zum Beispiel möglich, die zukünftigen Betriebskosten der Anlage abschätzen. Und schließlich gibt es auch die Effizienzwerte, die im Feld unter realen Bedingungen über einen bestimmten Zeitraum (meistens ein Jahr) gemessen werden. Diese Werte werden „Arbeitszahlen“ genannt und bilden die tatsächlich erreichte Effizienz der Anlagen ab.

Effizienzwerte von Wärmepumpen im Betrieb

Das Fraunhofer ISE hat im Laufe von 20 Jahren rund 300 im Einsatz befindliche Wärmepumpenanlagen vermessen und die Arbeitszahlen dieser Anlagen ermittelt. In der Grafik 1 werden die Ergebnisse aus zwei Projekten, die in Bestandsgebäuden durchgeführt wurden, dargestellt. Die Projekte wurden im Abstand von ungefähr zehn Jahren durchgeführt. Die Verbesserung der mittleren Effizienzzahlen z.B. von 3,3 auf 4,1 bei Erdreich-Wärmepumpen lässt sich deswegen teilweise mit der technologischen Verbesserung der Geräte erklären. Ein weiterer Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse ist ein anderer energetischer Zustand der untersuchten Gebäude.

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.

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. Bei den Erd-Wärmepumpen wurde ein negativer Ausreißer mit 1,8 nicht berücksichtigt. Die erreichten Werte zeigen, dass die Wärmepumpen bereits beim heutigen Strommix in Deutschland einen geringeren CO2-Ausstoß verursachen als eine Gasheizung mit Solarthermie-Unterstützung. In einer späteren Folge werden wir auf dieses Thema näher eingehen.

Einfluss von Vorlauftemperaturen und unterschiedlichen Wärmeübergabesystemen

Diese hoch-aggregierten Werte vermitteln natürlich nur ein grobes Bild der untersuchten Wärmepumpenanlagen. Ein Beispiel für eine detailliertere Auswertung ist in Grafik 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. Orange dargestellt sind Häuser mit Heizkörper, blau die Häuser mit Fußbodenheizung und grün sind die Anlagen mit gemischten Systemen.

Zuerst ist eine allgemeine Abhängigkeit zu erkennen – je niedriger die Vorlauftemperaturen, desto höher die Effizienz. Die theoretischen Überlegungen wurden also in der Praxis bestätigt. Und offensichtlich ist auch die zweite Annahme – die Heizungsanlagen mit Fußbodenheizung erreichen tendenziell höhere Effizienzwerte als Systeme, die höhere Vorlauftemperaturen benötigen – in der Realität nachzuweisen.

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass das Bild sehr differenziert ist. Die meisten Ergebnisse liegen zwischen den Effizienzwerten von 3 und 4. Der Mittelwert für alle Anlagen liegt bei 3,3. 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 – eine enorme Bandbreite, die auf andere Einflussfaktoren hindeutet! Z.B. waren die Anlagen mit den auffällig niedrigen Effizienzwerten um 1,5 eher ältere Geräte und verfügten über eine sehr geringe Norm-Leistungszahl (COP-Wert). Entscheidend ist jedoch, dass bei diesen Anlagen aufgrund von Mängeln bei der Auslegung relativ häufig der Elektroheizstab zum Einsatz kommen musste.

Die Heizkreistemperaturen sind also nicht immer ausschlaggebend für die Effizienz der Anlagen. Diese Erkenntnis ist ermutigend für jene Fälle, bei denen relativ hohe Vorlauftemperaturen notwendig sind – auch bei diesen Anlagen lässt sich eine gute Effizienz erreichen. Sie zeigt allerdings auch, dass nicht allein das Wärmeübergabesystem entscheidend ist, sondern ebenso die sorgfältige Planung, Installation und Einstellung der Wärmepumpenanlage.

Schon heute sind die Effizienzmittelwerte von Wärmepumpen gut

Die Ergebnisse aus den Studien verdeutlichen, dass Wärmepumpen als Wärmeerzeuger auch in Bestandsgebäuden zuverlässig funktionieren und ökologisch vorteilhaft sind (dazu mehr in einer weiteren Folge der Serie). Die Geräte arbeiteten in der Regel einwandfrei. Im Betrieb kam es nur selten zu Störungen. Eine weitere Optimierung ist durch die in den letzten Jahren deutlich verbesserten Modelle bereits zu beobachten und auch zukünftig durch weitere Innovationen sicher möglich. Schon heute sind die Effizienzmittelwerte allerdings als mindestens gut zu betrachten.

Der nächste Artikel der Serie in KKA 5/2021 wird sich u.a. mit Heizstäben beschäftigen: Wird durch den Einsatz des Heizstabs die Effizienz der Wärmepumpe stark verringert?

Zum Weiterlesen

Überblick über die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen: www.ise.fraunhofer.de/de/leitthemen/waermepumpen.html

Günther et al., Fraunhofer ISE (2020) Wärmepumpen in Bestandsgebäuden: Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand“. //t1p.de/3v3i :https://t1p.de/3v3i 

Prinzing et al, OST – Ostschweizer Fachhochschule 2020: Bericht «Feldmessungen von Wärmepumpen-Anlagen Heizsaison 2019/20». //t1p.de/o7c2:https://t1p.de/o7c2

Dieser Blogbeitrag wird finanziell durch die Stiftung Klimaneutralität (www.stiftung-klima.de) unterstützt.

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