Effizienzpotenzial vorhanden

Elektro-Wärmepumpen arbeiten in Plusenergiehäusern nicht so effizient wie gedacht. Bei Feldmessungen des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik (IBP) erreichten die meisten beobachteten Anlagen nicht die erwarteten Jahresarbeitszahlen. Worauf müssen Planer und Handwerker achten?
Mit dem Programm „Modellprojekte im Effizienzhaus Plus-Standard“ fördert das Bundesbauministerium neugebaute Wohnhäuser, die mehr Energie erzeugen als sie verbrauchen. Seit sechs Jahren nehmen bundesweit über 30 Plusenergiehäuser am Projekt teil. Alle erreichen mindestens den KfW-Standard 55 und werden in der Regel durch Elektrowärmepumpen beheizt. Im Rahmen eines wissenschaftlichen Begleitprogramms hat das Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) ¹) die Jahresarbeitszahlen (JAZ) der installierten Wärmepumpen untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass es bei der Effizienz in den meisten Fällen hapert.

Wärmepumpen-JAZ von Plusenergiehäusern ermittelt
Um den Wärmebedarf zu decken, nutzen dreizehn Gebäude Sole/Wasser-Wärmepumpen, zwölf Gebäude Luft/Wasser-Wärmepumpen und sieben Gebäude Wasser/Wasser-Wärmepumpen. Die Heizleistung der installierten Anlagen bewegt sich zwischen 1,5 kW und 20 kW in Einfamilienhäusern und von 7 kW bis 120 kW in Mehrfamilienhäusern.
Zur Bestimmung der JAZ wurden unterschiedliche Systemgrenzen gezogen. Sie ermöglichen die Abgrenzung der zu untersuchenden Wärmepumpe gegenüber den restlichen Komponenten der Heizungsanlage. Untersucht wurden die Bilanzräume 2 und 3 (Bild 3). Der Bilanzraum 2 umfasst die abgegebene Wärmemenge der Wärmepumpe inklusive des Heizstabs und stellt sie ins Verhältnis zur Stromaufnahme des Verdichters, der Regelung, des Wärmequellen-Pumpenantriebs und der elektrischen Nacherhitzung. Der Bilanzraum 3 beinhaltet den gesamten Wärmepumpen-Kreislauf einschließlich der Heizungs- und Trinkwarmwasserverteilung und setzt die Nutzenergie am Ausgang der Heizungspuffer- und Trinkwarmwasserspeicher ins Verhältnis zur Stromaufnahme der Wärmepumpe inklusive der Umwälz- oder Ladepumpen und berücksichtigt auch die auftretenden Speicherverluste.

Zielwerte des EEWärmeG nicht erreicht

• Für 15 Gebäude lagen nach einer zweijährigen Messdauer ausreichende Datenmengen vor, um die mittlere JAZ für den Bilanzraum 2 zu ermitteln. Bei sieben Anlagen wurde die JAZ für ein Jahr bestimmt und bei acht Anlagen für zwei Messjahre. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IBP verglichen die Ergebnisse anschließend mit den Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG).
• Bei den untersuchten Luft/Wasser-Wärmepumpen ergab sich eine relativ gleichmäßige Verteilung der JAZ zwischen 1,9 und 3,3. Im Mittel betrug sie 2,6. Das EEWärmeG schreibt für Luft/Wasser-Wärmepumpen, die gleichzeitig zur Heizung und Warmwasserbereitung eingesetzt werden, als Zielwert eine JAZ von mindestens 3,3 vor.
• Sole/Wasser-Wärmepumpen kamen auf eine mittlere JAZ von 3,2 bei einer Bandbreite von 2,0 bis 4,6. Lediglich zwei von acht Wärmepumpen kamen auf eine JAZ von 3,8 oder höher, wie vom EEWärmeG gefordert. Eine der Anlagen hatte bereits eine vierjährige Optimierungsphase hinter sich und war schon einmal ausgetauscht worden.
• Bei den Wasser/Wasser-Wärmepumpen schwankte die JAZ zwischen 2,7 und 4,4 und betrug im Mittel 3,2. Laut EEWärmeG sollte die JAZ mindestens 3,8 betragen.

Beim Bilanzraum 3, der den gesamten Wärmepumpen-Kreislauf umfasst, fielen die Ergebnisse wegen der Speicherverluste noch geringer aus. Die mittlere JAZ betrug hier bei Luft/Wasser-Wärmepumpen 2,2 und bei Sole/Wasser-Wärmepumpen 2,5. Wasser/Wasser-Wärmepumpen kamen auf nur 1,5. „Nur wenige Anlagen erreichen also in der Monitoringphase die Zielwerte des EEWärmeG“, fassen Antje Bergmann und Hans Erhorn vom Fraunhofer IBP die Forschungsergebnisse zusammen.

Gängige Klippen bei Planung, Installation und Betrieb
Die IBP-Untersuchung bestätigt Bergmann und Erhorn zufolge frühere Studienergebnisse, nach denen die Hydraulik des Gesamtsystems (Wärmepumpe, Speicher und Verteilung), die Nutzungsbedingungen sowie das energetische Niveau eines Gebäudes für die JAZ
und damit für die Anlagenleistung einer Wärmepumpe entscheidend sind. Um die Effizienz von Wärmepumpenanlagen zu verbessern, haben die Wissenschaftler eine Reihe von typischen Punkten herausgearbeitet, auf die Planer und Handwerker achten sollten:

• Anlagenteile von Wärmepumpen, die zur Beheizung dienen, sind oft das ganze Jahr in Betrieb, auch wenn gar keine Heizwärme benötigt wird. Sie verursachen dadurch erhöhte Standby-Verluste.
• Regelstrategien der Wärmepumpenanlage sind häufig nicht optimiert, was sich negativ auf die JAZ auswirkt.
• Während des Monitorings wurden gegenüber der normgerechten Auslegung bis zu 3 K höhere Innenraumtemperaturen und ein erhöhter Trinkwarmwasserbedarf festgestellt. Die Folge sind höhere Systemtemperaturen und eine schlechtere JAZ.
• Oft wird der hydraulische Abgleich nicht durchgängig dokumentiert. Unzureichend einregulierte Netzhydraulik kann ebenfalls zu höheren Systemtemperaturen führen.
• Werden zur Vermeidung von Legionellen bei der Trinkwarmwasserbereitung in Mehrfamilienhäusern erhöhte Systemtemperaturen gefordert,führt dies ebenfalls zu einer geringeren JAZ.
• Eine detaillierte Ausführungsplanung ist bei den meisten Wärmepumpenanlagen nicht durchgängig vorhanden. Bei Grobplanungen können Überdimensionierungen auftreten, die das dynamische Verhalten der Wärmepumpenanlage negativ beeinflussen.
• Je besser ein Gebäude gedämmt ist, desto höher ist der Anteil der für die Erwärmung des Trinkwassers aufgewendeten Endenergie im Vergleich zur benötigten Heizwärme. Beträgt der Warmwasseranteil bei einem Altbau noch 10 %, wächst er bei einem Passivhaus auf bis zu 45 %. Dies verschlechtert die JAZ. In Gebäuden mit dem höheren KfW-40-Standard sind daher tendenziell schlechtere JAZ vorzufinden als in KfW-55-Gebäuden.

Die Verbesserungspotenziale, die sich während des Wärmepumpen-Monitorings zeigten, wurden bei den installierten Anlagen schrittweise umgesetzt. Zum Teil wurden gesamte Wärmepumpenanlagen bereits im ersten Jahr der Messung komplett durch neue ausgetauscht. Auch Betriebsparameter wie Vorlauftemperaturen wurden neu justiert. Die Effizienz ließ sich dadurch messbar steigern.

Qualifizierung durch Schulungen nötig
Das IBP empfiehlt, in Zukunft noch mehr Wert auf die Schulung und Weiterbildung von Planern und Handwerkern zu legen. Eine fundierte Planung und Ausführung von Wärmepumpenanlagen müsse sowohl die Abhängigkeiten zwischen den Komponenten des hydraulischen Gesamtsystems als auch den Nutzereinfluss bei der Bedienung und das energetische Niveau des Gebäudes, in das die Anlage eingebaut wird, ausführlich berücksichtigen. 
Das dazu nötige Rüstzeug kann die VDI 4645 „Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb“

• liefern²). Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) hat im März 2018 die neue Richtlinie herausgegeben, um Unsicherheiten bei der Planung und Installation von Wärmepumpen entgegenzuwirken. Die VDI 4645 bietet eine allgemeingültige Anlagenkonfiguration und behandelt die für die Planung von Wärmepumpenanlagen erforderlichen Schritte von der Voruntersuchung und Konzepterstellung bis hin zur Detailplanung³⁾. Planer und Handwerker erhalten Hinweise zu empfohlenen hydraulischen Schaltungen, zur Dimensionierung von Anlagenkomponenten, zur Dokumentation, zur Inbetriebnahme der Anlage und zur Unterweisung des Betreibers. Die Richtlinie umfasst alle marktnahen Wärmepumpensysteme zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung und betrachtet auch das Zusammenwirken mit anderen Heizungssystemen und Anlageteilen wie Wärmespeichern.

Das ebenfalls neue Blatt 1 der VDI 4645 stellt ein Schulungskonzept zur Weiterbildung von Fachleuten bereit, die an der Planung, der Errichtung und dem Betrieb von Wärmepumpen beteiligt sind. Ziel ist die Vermeidung von Fehlfunktionen, Betriebsstörungen oder Schäden sowie die Optimierung von Wärmepumpenanlagen.

Autorin:
Almut Bruschke-Reimer, freie Energiejournalistin

¹) Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP)/Antje Bergmann, Hans Erhorn: Energieeffizienz elektrisch angetriebener Wärmepumpen, IBP-Mitteilung 549, 2017

²⁾ VDI 4645: „Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb“, März 2018 VDI 4645 Blatt 1: „Heizungsanlagen mit elektrisch angetriebenen Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb – Schulungen, Prüfungen, Qualifizierungsnachweise“, März 2018

³) IKZ-FACHPLANER: „Feintuning für optimale Effizienz“: erläuternder Beitrag zur VDI 4645, August 2018; aufrufbar auch auf www.ikz.de

Beispiele für Probleme beim Praxisbetrieb

Luft/Wasser-Wärmepumpe
Zwei der untersuchten Luft/Wasser-Wärmepumpen arbeiteten auch im Sommer weiter im Heizbetrieb, was die Effizienz verschlechterte.

Sole/Wasser-Wärmepumpe
Bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit JAZ 2,5 war die Regelstrategie nicht optimiert. Die Laufzeit dieser Wärmepumpe war an einen festen Tagesgang gekoppelt, der keine Regelung bei einer Überladung des vorhandenen Schichtspeichers vorsah.

Wasser/Wasser-Wärmepumpe
Die geringe JAZ von 2,7 bei einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe kam durch erhöhten Energieverbrauch bei der Trinkwassererwärmung zustande. Ziel war es, die Bildung von Legionellen zu vermeiden.

Ermittlung der Jahresarbeitszahl (JAZ)
Maßgebend für die energetische Effizienz von Wärmepumpen im Praxisbetrieb ist die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Anlagen. Zwar wird für jede Wärmepumpe vom Hersteller die individuelle Effizienz als Leistungszahl oder Coefficient of Performance (COP) angegeben. Je höher der COP, umso effizienter ist die Wärmepumpe. Der COP wird jedoch auf Testständen festgestellt und bildet daher nicht die realen Betriebsbedingungen ab. Aussagekräftiger ist die JAZ.

JAZ = kWh/a (Wärme) : kWh/a (Strom)

Errechnete JAZ
Die JAZ kann nach VDI 4650 auf Grundlage der COP-Werte über eine Formel berechnet werden. Die realen Betriebsbedingungen vor Ort fließen dabei über Korrekturfaktoren in die Berechnung ein. Die errechnete JAZ wird bei der Beantragung von Fördermitteln und beim Nachweis für die Einhaltung der Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) verlangt.

Gemessene JAZ
Die JAZ kann auch gemessen werden. Sie wird dann im realen Betrieb mithilfe eines Extra-Stromzählers für die Wärmepumpe und eines Wärmezählers ermittelt. Die in der Praxis gemessene JAZ weicht in der Regel durch individuelle Einflüsse bei Planung, Installation und Betrieb von der errechneten JAZ ab.
Die Namensgleichheit beider JAZ führt in der Praxis immer wieder zu Missverständnissen.

Nachgefragt
IKZ-HAUSTECHNIK: Das Fraunhofer IBP untersuchte in einer Studie das Betriebsverhalten von Wärmepumpen in der Praxis. Ergebnis: Sie bleiben in der Effizienz hinter den Versprechen der Hersteller und Verbände zurück. Wie erklären Sie sich die Diskrepanz?
Dr. Martin Sabel: Die IBP-Studie untersucht Wärmepumpen ausschließlich in Gebäuden des Effizienzhaus-Plus-Standards. Effizienzhäuser Plus sollen über ein Jahr betrachtet mehr Energie produzieren, als sie verbrauchen. Deshalb werden diese Gebäude mit Photovoltaik- und elektrischen Wärmepumpenanlagen ausgerüstet. Der Heizwärmebedarf dieser Gebäude ist äußerst gering und der Anteil der Warmwasserbereitung, den die Wärmepumpe zu erbringen hat, steigt. Folglich kann die Wärmepumpe keine optimale Effizienz erreichen – allerdings ist das in solchen Gebäuden auch nicht das alleinige Ziel. Angesichts des insgesamt äußert geringen Energiebedarfs dieser Gebäude bleiben die finanziellen Auswirkungen einer geringeren JAZ absolut überschaubar. Natürlich muss man alles dafür tun, um auch in den betrachteten hocheffizienten Gebäuden die Planung und Ausführung zu optimieren.

IKZ-HAUSTECHNIK: Die Studie hat gezeigt, dass sich die Effizienz von Wärmepumpenanlagen derzeit offensichtlich nur mit relativ großem Aufwand vor Ort verbessern lässt. Bei Tausenden von neuen Anlagen pro Jahr ist das nicht sehr praktikabel. Wo sehen Sie Ansatzpunkte, die Situation zu verbessern?
Dr. Martin Sabel: Die Effizienz kann hier nicht das alleinige Bewertungskriterium sein. Die Ergebnisse der Studie kommen nicht zu der Aussage, dass Wärmepumpen für den Einsatz in Effizienzhaus-Plus-Gebäuden ungeeignet seien. Im Effizienzhaus Plus führt spätes­tens bei der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit kaum ein Weg an der Wärmepumpe vorbei, auch wenn theoretisch noch andere Systeme denkbar wären. Für die untersuchten Häuser gilt wie für alle Gebäude mit Wärmepumpen, dass eine sorgfältige Planung und Auslegung der Wärmepumpe sowie die korrekte Installation und Einstellung der Regelung von entscheidender Bedeutung ist. Wenn dies im Vorfeld nicht erfolgt, ist es im Nachhinein schwierig, die Effizienz der Anlage zu erhöhen. Hier ist die Branche und hier sind wir gefragt, die Qualität bei der Errichtung der Gesamtanlage weiter zu verbessern und die geeigneten Werkzeuge zur Verfügung zu stellen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Schenkt man den Prognosen Glauben, werden Wärmepumpen in Zukunft eine große Rolle in der Energiewende spielen. Wie können die Effizienzpotenziale künftig besser gehoben werden?
Dr. Martin Sabel: Die Branche hat sich dieser Herausforderung angenommen: Seitens der Hersteller sind die technologischen Standards in den vergangenen Jahren enorm gesteigert worden. Die Aus- und Weiterbildung der Planer und Fachhandwerker ist aber der wichtigste Schlüssel, um die Effektivität und Effizienz der Anlagen in Zukunft zu gewährleisten und bei einem wachsenden Markt eine optimale Ausschöpfung der Wärmepumpen-Technologie zu erreichen. Auf der Basis der Richtlinie VDI 4645 wurde vom VDI unter Beteiligung des BWP ein Schulungskonzept für Errichter und Planer entwickelt und in der Richtlinie VDI 4645 Blatt 1 standardisiert. Nach diesem Schulungskonzept sollen Fachleute weitergebildet werden, die an Planung, Errichtung und Betrieb von Wärmepumpenanlagen beteiligt sind.