Noch Luft nach oben

Wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet, hängt stärker von den Rahmenbedingungen ab als bei anderen Heizsystemen. Praxistests zeigen, dass bei der Planung, der Installation und dem Betrieb von Wärmepumpen noch viel ungenutztes Effizienzpotenzial besteht. Planer und Fachhandwerker sind in der Pflicht.

Eine Wärmepumpe gilt als effizient, wenn sie ihre Wärmeleistung durch die Nutzung von Umweltwärme mit möglichst geringem Einsatz von Antriebsenergie, also Elektrizität, erbringt. Zwar wird für jede Wärmepumpe, die die Hersteller auf den Markt bringen, die individuelle Effizienz als Leistungszahl oder Coefficient of Performance (COP) angegeben. Je höher der COP, umso effizienter ist die Wärmepumpe.
Eine Leistungszahl von 4,0 beispielsweise besagt, dass das Vierfache der eingesetzten Antriebsleistung als nutzbare Wärmeleistung zu Verfügung steht. Der COP gibt jedoch nicht die Verhältnisse unter realen Betriebsbedingungen wieder, sondern wird unter Normbedingungen nach DIN EN 14511 (vorher DIN EN 255) auf einem Teststand ermittelt. Für den Heizbetrieb gilt, dass nicht die normativen Prüfbedingungen und der so ermittelte COP-Wert die maßgeblichen Größen für die Bewertung der Energieeffizienz sind, sondern die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie wird über den gesamten Verlauf eines Kalenderjahres ermittelt und stellt das Verhältnis von abgegebener Nutzwärme zur zugeführten Energie dar.

Effizienz im Praxisbetrieb messen
Um herauszufinden, wie energieeffizient Wärmepumpen in der Praxis tatsächlich arbeiten, fand in den vergangenen Jahren eine Reihe von Praxistests statt. Von 2006 und 2013 untersuchte die lokale Agenda-21-Gruppe Energie der badischen Stadt Lahr unter Leitung von Dr. Falk Auer in zwei Phasen die Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat in Kooperation mit Herstellern und überregionalen Energieversorgern in den drei Studien „WP Effizienz“, „WP im Gebäudebestand“ und „WP-Monitor“ von 2005 bis 2013 mehr als 260 Wärmepumpen nach wissenschaftlichen Maßstäben messtechnisch erfasst. Eine weitere ISE-Studie zu Wärmepumpen in Bestandsgebäuden endet im November 2018.
Das bisherige Ergebnis der Praxistests zeigt: Zwar schneiden Wärmepumpen in puncto Effizienz überwiegend besser ab als fossile Heizungssysteme. Doch schwankt sogar bei Wärmepumpen mit gleicher Technologie und gleichen Komponenten die gemessene JAZ von Gebäude zu Gebäude erheblich. Individuelle Faktoren wie die Planung und Installation wirken sich demnach in starkem Maß auf die Energieeffizienz aus. Entsprechend groß ist das mögliche Optimierungspotenzial.

Temperaturhub entscheidend
Die Wahl der Wärmequelle (Luft, Erdreich, Grundwasser) und der Wärmesenke (Heizungswasser, Trinkwassererwärmung) haben einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz von Wärmepumpen. Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke – der sogenannte Temperaturhub – umso effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Wahl der Wärmequelle
Bereits in der Planungsphase kommt es darauf an, die für das Grundstück und das Gebäude optimale Wärmequelle zu ermitteln. Ihre Temperatur sollte vor allem während der Heizperiode möglichst hoch sein. Jedes Grad Quellentemperatur verbessert die Arbeitszahl um rund 2,5 %. Wasser/Wasser-Wärmepumpen bieten durch die relativ konstanten Temperaturen des Grundwassers um die 7 bis 12 °C auch im Winter die besten Voraussetzungen für einen effizienten Betrieb. Durch den großen Erkundungs- und Planungsaufwand empfiehlt der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) ihren Einsatz aber vor allem für größere Projekte mit Wärmeleistungen über 20 kW.
An zweiter Stelle folgen Sole/Wasser-Wärmepumpen mit einer Quellentemperatur von durchschnittlich 10 °C. Kommen Erdwärmesonden zum Einsatz, muss die Wärmequelle ausreichend dimensioniert sein, um gute Leistungen zu erbringen. Eine korrekt geplante und ausgeführte Sonde trägt laut BWP rund die Hälfte zur Effizienz der Anlage bei. Bei Erdwärmekollektoren beeinflusst das eindringende Niederschlagswasser und die Sonneneinstrahlung die Effizienz. Ein wassergesättigter Boden bringt eine etwa vier Mal so hohe Leistung wie ein trockener, nicht bindender Boden. Wärmepumpen erreichen in Verbindung mit Erdkollektoren über das ganze Jahr betrachtet geringere Jahresarbeitszahlen als Erdsonden.
Luft/Wasser-Wärmepumpen haben aufgrund der niedrigen Investitionskosten und des geringen Installationsaufwands mit 70 % den größten Anteil am deutschen Wärmepumpenabsatz. Sie arbeiten jedoch ausgerechnet während der Heizperiode am ineffektivsten, da die Wärmequelle Außenluft dann am kühlsten ist. Die Lokale-Agenda-21-Gruppe Lahr rät in ihrem Schlussbericht für die Testphase 2006 bis 2008 davon ab, Luft/Wasser-Wärmepumpen einzusetzen und staatlich zu fördern. Beim BWP sieht man das kritisch: „Die Ergebnisse der wissenschaftlich renommierten Fraunhofer ISE-Feldtests bestätigen, dass Luft/Wasser-Wärmepumpen im Durchschnitt eine JAZ von 3,1 erreichen. Es müssen schon grobe Installationsfehler vorliegen, damit diese Werte nicht erreicht werden“, so BWP-Geschäftsführer Karl-Heinz Stawiarski.

Gestaltung der Wärmesenke
Eine ebenso wichtige Rolle für die Effizienz von Wärmepumpen spielt die Wärmesenke. Im Gegensatz zur Wärmequelle lässt sie sich vom Planer oder Installateur in größerem Maß beeinflussen. Die Grundlage für die Dimensionierung der Wärmepumpe und darauf aufbauend der Heizflächen und Vorlauftemperatur sollte grundsätzlich eine Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 darstellen. Besonders wichtig ist dies, wenn die Heizung in Bestandsgebäuden auf eine Wärmepumpe umgestellt wird. Installateure sollten sich nicht auf bisherige Werte verlassen, da ältere Heizungsanlagen erfahrungsgemäß überdimensioniert sind, was sich negativ auf die Effizienz auswirkt.
Generell sollten im Heizkreis möglichst niedrige Temperaturen angestrebt werden. Dies lässt sich durch Niedertemperatur-Heizsysteme wie Fußboden- oder Wandheizungen erreichen, die mit Vorlauftemperaturen um die 35 °C auskommen. Ungünstig sind Heizkörper mit Vorlauftemperaturen zwischen 50 °C bis 60 °C, wie sie in Bestandsgebäuden häufig installiert sind. Hier eignen sich spezielle Niedertemperatur-Radiatoren bzw. Heizkörper mit größeren Übertragungsflächen. In Kombination mit herkömmlichen Radiatoren erreichten insbesondere Luft/Wasser-Wärmepumpen in Altbauten durch den großen Temperaturhub eine nur geringe Effizienz. Die mittlere JAZ in den ISE-Tests betrug 2,6. In Neubauten mit Fußbodenheizungen stieg die JAZ auf 3,1. Zum Vergleich: Sole/Wasser-Wärmepumpen erzielten in Verbindung mit Radiatoren eine JAZ von 3,3. Bei Fußbodenheizungen in Neubauten betrug sie 4,0.
Durch die optimale Einstellung der Heizkurve kann das Temperaturniveau zusätzlich gesenkt werden. Niedrigere Vorlauftemperaturen lassen sich jedoch vor allem auch durch die energetische Sanierung der Gebäudehülle erzielen. Reicht dann eine Wärmepumpe mit geringerer Leistung zur Wärmeversorgung aus, schlägt sich das im geringeren Stromverbrauch nieder.

Sorgfältig ausgelegte Anlagen effektiver
Damit Wärmepumpen trotz günstigen Temperaturhubs nicht an Effizienz verlieren, muss die gesamte Anlage richtig ausgelegt und das gesamte hydraulische System inklusive der Regelung auf die Wärmepumpe abgestimmt sein. Das Fazit des ISE zu den Praxistests unterstreicht dies: „Die Ergebnisse der bisherigen Projekte haben deutlich gezeigt, dass die Bandbreite an Arbeitszahlen sehr groß ist. Eine direkte Korrelation zum Temperaturhub ließ sich nur schwer darstellen, was ein deutlicher Hinweis darauf ist, dass weitere Effekte diesen physikalischen Zusammenhang überlagern.“
Probleme traten oft bei Wasser/Wasser-Wärmepumpen auf. In den Feldtests arbeiteten sie trotz höherer Quellentemperaturen teilweise weniger effizient als Sole/Wasser-Wärmepumpen. In der Studie „WP-Effizienz“ erzielten sie eine durchschnittliche Jahresarbeitszahl von lediglich 3,7 im Vergleich zu 4,1 bei Sole/Wasser-Wärmepumpen. Ursache: Die Brunnenpumpen waren überdimensioniert. Solepumpen liefen in den Praxistests teilweise auf einer zu hohen Arbeitsstufe, was den Stromverbrauch erhöht, der sich wiederum negativ auf die Arbeitszahl auswirkt. Abhilfe schafft der Einsatz leistungsgeregelter Hocheffizienzpumpen.

Trinkwassererwärmung und Speicher
In der Regel sind einfach aufgebaute Wärmepumpenheizungsanlagen effizienter als komplexe Systeme mit vielen Komponenten. Wärmepumpen mit direkter Heizkreisbeladung ohne Pufferspeicher arbeiteten im Rahmen der Studie „WP-Effizienz“ am effizientesten. Bei Kombispeichern gab es Probleme mit mangelhaften Beladungsstrategien. So wurde beispielsweise die Anforderung aus dem Heizkreis oft mit einer Beladung im Trinkwassermodus beantwortet. Durch die höheren Vorlauftemperaturen von über 50 °C statt 35 °C verringerte sich die JAZ. Schuld können z. B. falsch platzierte Temperatursensoren oder eine mangelhafte Regelung sein.
Ob ein Wärmespeicher Sinn macht und welcher Typ infrage kommt, ist auch im Zusammenhang mit der Trinkwassererwärmung und der eventuellen Nutzung von Solarwärme zu sehen. Planer und Installateure sollten sorgfältig abwägen, welches Konzept für die Nutzer als auch für die Effizienz der Anlage am günstigsten ist.
Übernimmt die Heizungswärmepumpe die Erwärmung des Trinkwassers, ist z. B. eine größere Heizleistung nötig, was die Effizienz vermindert. Eine Alternative kann die Installation einer zweiten, kleineren Brauchwasserwärmepumpe sein. Auch Solarthermie-Anlagen können sinnvoll sein. In der Studie „WP-Monitor“ erreichten Sole/Wasser-Wärmepumpen mit solarer Trinkwassererwärmung Effizienzsteigerungen zwischen 3 % und 15 % und bei zusätzlicher Heizungsunterstützung zwischen 6 % und 29 %. Die Kombination von Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung führte zu einer Effizienzsteigerung von 6 %.

Heizstab-Aktivität im grünen Bereich
Elektrische Zusatzheizungen bzw. Heizstäbe, sofern sie korrekt arbeiten, verschlechtern die Effizienz nur geringfügig. Für alle erdgekoppelten Anlagen er­gab sich z. B. bei der Studie „WP-Effizienz“ eine durchschnittliche Verminderung der Arbeitszahl um 0,05, bei Luft/Wasser-Wärmepumpen um 0,06. Allerdings fanden sich einzelne Ausreißer, bei denen der Heizstabbetrieb die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe erheblich reduzierte, z. B. weil der Bivalenzpunkt des Heizstabs zu hoch eingestellt war.
Laut ISE erfordern korrekt ausgelegte Sole/Wasser-Wärmepumpen keine zusätzliche Elektroheizung. Installateure können die Heizstäbe deshalb deaktivieren, was ein unkontrolliertes Einschalten vermeidet. Besteht Bedarf, etwa bei einem Störfall oder bei besonders hohem Wärmebedarf während der Bauaustrocknung in Neubauten, wird die Zusatzheizung wieder aktiviert.

Fehlerfreie Installation
Um effizient zu sein, bedarf ein gut ausgelegtes Wärmepumpenheizungssystem auch einer sorgfältigen Installation. Während der Feldtests kam es zu Fehlströmen im hydraulischen System mit negativen Auswirkungen auf die Effizienz. Bauteile wie Dreiwegeventile oder Rückschlagklappen sollten deshalb im hydraulischen Kreis richtig installiert und voll funktionsfähig sein. Insgesamt nahmen die Mängel bei hydraulischen Komponenten im Verlauf der Praxistests jedoch ab, was für die zunehmende Erfahrung des Fachhandwerks spricht.

Autorin: Almut Bruschke-Reimer,
freie Energiejournalistin

www.wp-monitor.ise.fraunhofer.de
www.ise.fraunhofer.de
www.waermepumpe.de
www.bdh-koeln.de