Für Skepsis gibt es keinen Raum mehr

Wärmepumpen heizen auch in Bestandsgebäuden effizient – und das weitgehend unabhängig vom Baualter des Gebäudes. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE. In dem Projekt nahmen die Wissenschaftler vier Jahre lang detaillierte Messungen an 77 Wärmepumpen in Ein- bis Dreifamilienhäusern vor. Das Forschungsteam führte zudem Langzeit-Schallmessungen durch und ermittelte, wie Photovoltaikanlagen in den Wärmepumpenbetrieb integriert werden können. Die Untersuchung zeigte auch, dass ausreichend dimensionierte Heizkörper im Mittel mit ähnlich niedrigen Temperaturen betrieben werden können wie Flächenheizungen. Danny Günther ist Teamleiter am Fraunhofer ISE und außerdem Leiter des Monitoringprojekts „WP-QS im Bestand“. Mit ihm sprachen wir über die Ergebnisse.

IKZ: Bei den untersuchten Luft-Wasser-Wärmepumpen kam die mit der niedrigsten Effizienz auf eine Arbeitszahl von 2,6 – die mit der höchsten auf 4,9. Wie erklären Sie sich diese großen Unterschiede?
Danny Günther: Die Bandbreite ist erstmal enorm, lässt sich jedoch mit Blick auf die Betriebsbedingungen und Normleistungszahlen der Wärmepumpen gut erklären. So werden die Wärmepumpen bei mittleren Temperaturen zur Raumheizung – als wichtigsten Effizienzeinflussfaktor im Betrieb – zwischen 28 und 47°C betrieben. Allein hierdurch könnten sich solche JAZ-Bandbreiten ergeben. Hinzu kommt, dass die Normleistungszahlen der untersuchten Wärmepumpen beim Betriebspunkt A2/W35 von 3,2 bis 4,6, reichen, was den Effekt der Temperaturen zur Raumheizung auf die JAZ-Bandbreite nochmal verstärken oder abschwächen kann. Hinzu kommen weitere Einflussfaktoren wie bspw. die Effizienz und der Energieanteil der Trinkwassererwärmung oder der Einsatz von Elektroheizstäben.

IKZ: Allgemein könnte man ja annehmen, dass die Eignung/Effizienz einer Wärmepumpe im Altbau grundsätzlich auch etwas mit dem Alter des Gebäudes zu tun haben wird. Im Monitoring kommen Sie aber zu dem Ergebnis, dass eine Korrelation zwischen Baujahr der Gebäude und der Effizienz der Wärmepumpe nicht festgestellt werden konnte. Warum ist das so?
Danny Günther: Theoretisch sollten ältere Gebäude höhere Heizlasten aufweisen und – unter der Annahme identischer Wärmeübergabesysteme – entsprechend höhere Temperaturen zur Raumheizung benötigen, was sich negativ auf die Effizienz auswirkt. Wir sehen aber über alle Baualtersklassen hinweg kaum signifikante Unterschiede bei den Heizkreistemperaturen.
An dieser Stelle würde ich gern weiter ausholen, um die Stichprobe besser zu verstehen. In der Effizienzanalyse zu den Luft-Wasser-Wärmepumpen wurden jene berücksichtigt, die in Gebäuden der Baujahre 1875 bis 2001 betrieben wurden. Die Gebäude, die bei Errichtung noch nicht der Wärmeschutzverordnung (WSchV) 1977 unterlagen – etwa 60 % der Stichprobe, wurden alle mindestens einmal energetisch saniert. Und zwar so, dass die meisten Gebäude die Anforderung der WSchV 77 einhalten würden, einige wenige auch die Vorgaben der WSchV 95. Die neueren Gebäude wurden – abgesehen von einem – nicht saniert. Damit verschwimmt der Zusammenhang zwischen Gebäudealter und der Gebäudeheizlast. Auch die Art der Wärmeübergabesysteme korrelieren nicht mit dem Alter der Gebäude und etwaige Nachrüstungen fanden in unterschiedlichem Ausmaß statt. Im Ergebnis zeigt sich ein bunter Mix an Heizkreistemperaturen und die maßgeblich davon beeinflusste Bandbreite an Jahresarbeitszahlen. Ein weiterer Einfluss auf die Betriebstemperaturen besteht im Einsatz zusätzlicher Heizkessel. In den acht ältesten Gebäuden bis Baujahr 1948 werden die Wärmepumpen in vier Fällen von Kesseln mit Deckungsbeiträgen von 22 % bis 46 % unterstützt. In den untersuchten Anlagen der jüngeren Baualtersperioden spielen die Heizkessel kaum eine Rolle.

IKZ: Was sind die Erfahrungen aus dem Projekt zum Thema Heizstab? Wie wichtig ist dieser als Unterstützer für eine Wärmepumpe in der Praxis tatsächlich, die befürchtet im Winter in die Knie geht, insbesondere eben, wie betrachtet, im Bestandsbau?
Danny Günther: Der Heizstab übernimmt eine definierte Rolle. Bei der Planung wird – unabhängig vom Gebäudetyp – definiert, bis zu welcher Außenlufttemperatur die Wärmepumpe welchen Deckungsbeitrag leisten soll. Dies hat etwas mit der Heizlast, den erforderlichen Temperaturen und einem möglichst effizienten Betrieb im Teillastbereich zu tun. Im Ergebnis werden Luft-Wasser-Wärmepumpen in der Regel nicht auf die Normauslegungstemperatur ausgelegt und die verbleibende Heizlast wird planmäßig vom Heizstab (mit) gedeckt. Damit hängt der reale Deckungsbeitrag im Wesentlichen von den Witterungsbedingungen ab. Bei „WP-QS im Bestand“ lag der Elektroenergieanteil der Elektroheizstäbe im Mittel bei unter 2 % und hatte somit im Mittel keinen wesentlichen Einfluss auf die mittlere JAZ von 3,4. Zu ähnlichen Ergebnissen sind wir auch in früheren Feldmessungen gekommen.

IKZ: Ein Ergebnis des Monitorings war auch die Feststellung, dass der flächendeckende Umbau auf Fußbodenheizungen gar nicht nötig sei, was in gewisser Weise dann mit einer verbreiteten Meinung aufräumen könnte, dass dem beim Einbau einer Wärmepumpe in einen Bestandsbau so ist. Würden Sie Ihre Ergebnisse einmal konkretisieren?
Danny Günther: Ein Viertel der Gebäude wurde mit Heizkörpern beheizt. Darüber hinaus haben bei den 50 % der Systeme, die Heizkörper und Flächenheizungen nutzen, meist die Heizkörper die von der Wärmepumpe bereitzustellende Temperatur vorgegeben. All diese Systeme verteilen sich von der Effizienz her über weite Teile der bereits erwähnten Bandbreite der Jahresarbeitszahlen. Dies wurde in Teilen mit den bestehenden, aber auch mit nachgerüsteten Heizkörpern erreicht.

IKZ: Was waren typische Hydraulikfehler, die im Rahmen des Projekts festgestellt wurden?
Danny Günther: Grundsätzlich haben wir wenige offensichtliche Hydraulikfehler bei der Effizienzanalyse festgestellt. Im Rahmen von Detailprüfungen, die wir ergänzend zur automatisierten Auswertung vornehmen, fielen jedoch in einigen Fällen Fehlströmungen auf. Diese haben wir in hydraulik- und regelungsbedingte Fehlströmungen unterschieden. Die hydraulikbedingten umfassten beispielsweise fehlende oder defekte Rückschlagarmaturen und falsche Positionen oder Defekte bei Umschaltventilen. Regelungsbedingt sind Fehlparametrierungen u. a. bei Anlagen mit passiver Kühlung oder mehreren Wärmepumpen sowie bivalenten Systemen aufgetreten. Generell ließ sich feststellen, dass Fehlströmungen eher bei komplexeren Systemen, bspw. mit mehreren Wärmeerzeugern, auftreten. Dies zeigt einfach, dass mit höherer Komplexität das Risiko für Fehler bei Planung, Installation und Parametrierung zunimmt und entsprechende Sorgfalt angebracht ist.

IKZ: Im Bericht wird auch bemängelt, dass die Heizleistung der Wärmepumpe in den untersuchten Objekten häufig überdimensioniert sei. Was denken Sie, sind die Gründe hierfür? Ist das ggf. Ausdruck einer (planerischen) Übervorsicht? Was muss hier besser laufen im Zusammenspiel der Beteiligten aus Ihrer Sicht?
Danny Günther: Ganz wichtig vorab: Die Überdimensionierung bezieht sich auf einen Vergleich der Heizleistung der Wärmepumpen gemäß Datenblatt bei -7 °C Außenlufttemperatur mit der gemessenen Heizlast entsprechend der EAV-Methode. Informationen darüber, wie die Anlagen dimensioniert wurden, lagen uns nicht vor. Daher können wir auch nur begründete Annahmen formulieren. Denkbar wäre sowohl eine bewusst großzügige Dimensionierung (Sicherheitszuschlag) als auch eine Überschätzung des Heizwärmeverbrauchs. Dies ergibt sich bspw. bei einer Orientierung an der Norm-Heizlastberechnung nach DIN 12831 für die WP-Auslegung, da die DIN 12831 keine internen und solaren Gewinne berücksichtigt. Die Differenz zwischen Heizlast und Heizleistung vergrößert sich auch dadurch, dass häufig nicht alle Räume im Gebäude
beheizt werden. Als konkrete Maßnahme sehe ich zuerst die Vermeidung sämtlicher „Angstzuschläge“. Und dennoch wird die adäquate Dimensionierung von Wärmepumpenanlagen weiter ein Thema für uns bleiben.

IKZ: Es wurden auch (zu) lange Laufzeiten bei der Trinkwasserzirkulation festgestellt, was zu unnötigen Energieverlusten
führt. Was sind die Gründe dafür und wie ließe sich das optimieren bzw. beheben?
Danny Günther: Hier sind wir beim Zielkonflikt aus Komfort und Energieverbrauch angekommen. Wichtig wäre also die Aufklärung der Anlagenbetreibenden, auch zu den technischen Möglichkeiten. Beispielsweise mittels individuellen Zeitprogrammen oder Bewegungsmeldern in Räumen mit Zapfstellen. Mit Blick auf den in der Studie betrachteten Einfamilienhausbereich ist jedoch anzumerken, dass sich der zusätzliche Energieverbrauch durch die Zirkulation in Grenzen hielt.

IKZ: Bei gegebenen äußeren (klimatischen) und baulichen Umständen – durch welche Planungs- und/oder Installationsfehler wird die potenzielle Arbeitszahl der Wärmepumpe von der Profiseite her ungewollt verschlechtert?
Danny Günther: Wenn wir weder am Gebäude noch den Wärmeübergabesystemen etwas ändern, sind die erforderlichen Leistungen und Temperaturen fix. Damit liegt der Schlüssel bei der Planung der Anlage. Hier könnte eine Wärmepumpe eingesetzt werden …

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