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Eine ökologische und ökonomische Bilanz: Wärmepumpe mit CO2-Erdsonde erreicht Spitzenergebnis im „Feldtest Elektro-Wärmepumpen“

In einem sechsjährigen „Feldtest Elektro-Wärmepumpen“* untersucht die Lokale Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr (Schwarzwald) an rund 50 Wärmepumpen den Stand heutiger Wärmepumpentechnik, deren Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit. Ziel ist es, nicht nur den Teilnehmern der Praxisuntersuchung, sondern auch den Planern, Energieberatern und Handwerkern verlässliche Daten über die energieeffizientesten Wärmepumpen-Systeme an die Hand zu geben. Wir berichten über die Ergebnisse der besten Wärmepumpe des Feldtests am Oberrhein.

Bild 1: Funktionsweise einer Kohlendioxid–Erdsonde. Bild: PINTSCH ABEN Geotherm GmbH, Dinslaken

Bild 2: Einrichtung des Bohrgerätes während der Bauphase des Hauses.

Bild 3: Schematische Darstellung der Wärmepumpen-Hydraulik und der Messtechnik.

Bild 4: Die Erzeuger- und System-Jahresarbeitszahlen über die zwei Messjahre (braun: Heizperioden, rot: ganzjährig).

Dr. Falk Auer.

 

Während Erdreich-Wärmepumpen das Energieeffizienz-Ziel der Deutschen Energieagentur (dena) und des Rheinisch-Westfälischen Elektrizitätswerkes (RWE) mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von > 3 mehr oder weniger deutlich übertreffen (siehe Info-Box), erreichen nur zwei von 20 untersuchten Luft-Wärmepumpen diese Arbeitszahl. Luft-Wärmepumpen sind deshalb im Hinblick auf den Beitrag zum Klimaschutz kritisch zu bewerten. Anders dagegen die Erdreich-Wärmepumpen: Deren Mittel  liegt zwar nur bei einer Jahresarbeitszahl von 3,5, wenn aber alles fachgerecht geplant, eingebaut und betrieben wird, dann sind gemäß der Phase 1 des „Feldtests Wärmepumpen“ von 2006 bis 2008 Arbeitszahlen bis zu 4,4 und in der laufenden Phase 2 von 5,4 möglich.

Gegebenheiten

Um dem Erdreich Wärme zu entziehen, ist entweder ein horizontales Erdregister in etwa 1,2 m Tiefe erforderlich oder eine vertikale Erdsonde. Im vorliegenden Fall handelt es sich um zwei Bohrungen mit einer Tiefe von je 99 m und insgesamt sechs Erdsonden. Normalerweise treibt eine Umwälzpumpe den geschlossenen, mit einem Wasser-Glykolgemisch gefüllten Kreislauf an. Bei einer CO2-Erdsonde ist es möglich, auf die sogenannte Solepumpe zu verzichten, weil der Kreislauf selbsttätig – also ohne elektrische Hilfsenergie – nach dem Wärmerohr- oder Heat-Pipe-Prinzip funktioniert. Wie das Bild 1 zeigt, sammelt sich am Boden der unter Druck stehenden Erdsonde das flüssige Kohlendioxid. Die Erdwärme verdampft es und treibt das Gas in der Mitte des Rohres in die Höhe. Oben angekommen, gibt es seine Kondensationswärme über einen Wärmeübertrager direkt an den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe ab.

Das CO2-Kondensat läuft an der Innenwand des Rohres wieder zurück in die Tiefe, und der Kreislauf beginnt von neuem. Da es sich bei dem Wärmeträger um natürliches Kohlendioxid handelt, lässt sich eine solche Erdsonde auch in Wasserschutzgebieten einsetzen. Auf eine fachgerechte Abdichtung beim Durchbohren einer grundwasserführenden Schicht ist jedoch nach wie vor zu achten, um einen Austausch von Trinkwasser zwischen den verschiedenen Grundwasser-Stockwerken zu verhindern. Eine Sommerkühlung des Hauses wie bei einer Erdsonde mit einem Wasser-Glykolgemisch ist allerdings nicht möglich. Hierfür wäre die Verlegung eines zusätzlichen, frostgesicherten Kreislaufes im Bohrloch erforderlich.

Die nachfolgend näher betrachtete Wärmepumpe hat eine Nennleistung von 12 kW thermisch und laut Datenblatt eine Leis­tungsziffer COP von 5,5. Daraus folgt eine elektrische Leistung von knapp 2,4 kW. Besondere Merkmale sind der Scrollverdichter mit variabler Leistung (modulierend von 4 bis 12 kW) und ein elektronisches Einspritzsystem. Die Wärmepumpe versorgt ohne einen Heizungspufferspeicher direkt die Fußbodenheizung (siehe Bild 3), einen Notheizstab gibt es nicht. Die Warmwasserversorgung erfolgt über einen 300-l-Speicher und eine externe Frischwassereinheit.

Das Objekt – ein Einfamilienhaus –steht in Offenburg am Oberrhein. Es handelt sich um einen Neubau aus dem Jahre 2008 mit dem Niedrigenergiehaus-Standard KfW60 und einer beheizten Fläche von 250m². Das Haus bewohnen zwei Erwachsene und zwei Kinder. Der gemessene Heiz-Wärmeverbrauch betrug über die zwei Messjahre von 2008 bis 2010 20,5 MWh/a. Daraus folgt ein jährlicher spezifischer Verbrauch von 82 kWh/m² beheizter Wohnfläche. Die Familie verbrauchte Warmwasser in Höhe von durchschnittlich 31 l pro Person und Tag. Dieser Wert liegt im oberen Bereich einer gemessenen Bandbreite von 17 bis 33 l pro Person und Tag in der Phase 1 des „Feldtests Wärmepumpen“. Der Warmwasseranteil am gesamten Wärmeverbrauch des Hauses beträgt 8%.

Energieeffizienz

Das Bild 4 zeigt die saisonalen Arbeitszahlen. Die günstigeren Erzeuger-Arbeitszahlen, gemessen direkt hinter der Wärmepumpe, betrugen in den Wintern 2008/09 und 2009/10 5,2 bzw. 5,4 und die System-Arbeitszahlen, die auch noch die Verluste des Warmwasser-Speichers und dessen Ladepumpe berücksichtigen, 5,0 bzw. 5,2. Die etwas höheren Werte in der zweiten Heizperiode beruhen auf den leicht höheren Umgebungstemperaturen in dieser Zeit. Über die zweijährige Messperiode ermittelte die Agenda-Gruppe eine

 

  • Erzeuger-Jahresarbeitszahl
    EJAZ = 5,4 und eine
  • System-Jahresarbeitszahl
    SJAZ = 5,1.

Die gemessene System-Jahresarbeitszahl von gut 5 liegt nicht nur über den Mindest-Vorgaben der Deutschen Energieagentur und des Rheinisch-Westfälische Elektrizitätswerkes, sondern auch noch über den zwei höchsten Einzelwerten der Erzeuger-Jahresarbeitszahlen von 4,3 bzw. 4,4, die die Lokale Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr unter 13 Erdreich-Wärmepumpen in der Phase 1 ermittelte. Auch bei der Bewertung gemäß der Klassifizierung von Jahresarbeitszahlen der Agenda-Gruppe, die unabhängig von der Art der Kaltquellen Luft, Grundwasser oder Erdreich erfolgt, war das Ergebnis außerordentlich positiv.

Wirtschaftlichkeit

Ein solches Spitzenergebnis ist im Allgemeinen nicht zu gleichen Kosten zu haben wie Durchschnitts-Erdreich-Wärmepumpen. Die Frage erhebt sich nun, welche Mehrkosten eine CO2-Erdsonden-Wärmepumpe gegenüber anderen Heizwärmeerzeugern verursacht und ob die zu rechtfertigen sind. Wenn nicht: Wie hoch dürfen die Investitionskosten maximal sein, damit die Gesamtkosten mit denen von normalen Erdreich-Wärmepumpen gleich sind? Die Agenda-Gruppe hat zur Beantwortung dieser Frage fünf verschiedene Heizwärmeerzeuger verglichen. Die Tabelle 1 zeigt als Referenz einen Erdgas-Brennwertkessel mit einer Sonnenkollektoranlage für die Brauchwassererwärmung, zwei Luft- und zwei Erdreich-Wärmepumpen.

Die Ergebnisse: Die geringsten Gesamtkosten mit rund 11,5 ct/kWh verursachen die beste Luft-Wärmepumpe (Phase 2) und das Mittel aller normalen Erdreich-Wärmepumpen (Phase 1). Danach folgt mit knapp 12 ct/kWh der Erdgas-Brennwertkessel mit einer Sonnenkollektoranlage und – deutlich abgeschlagen – die energieeffiziente CO2-Ersonden-Wärmepumpe. Deren Investitionskosten müssten um 15 bis 20% sinken, um mit normalen Erdreich-Wärmepumpen. bzw. mit dem solar-unterstützten Erdgas-Brennwertkessel konkurrieren zu können.

Fazit

Die untersuchte Kohlendioxid-Erdsonden-Wärmepumpe erreicht mit einer Erzeuger- und System-Jahresarbeitszahl von EJAZ = 5,4 bzw. SJAZ = 5,1 die bisher höchs­ten Energieeffizienzen in den Phasen 1 und 2 des „Feldtests Wärmepumpen“. Diese Werte sind gemäß der Klassifizierung der Jahresarbeitszahlen der Agenda-Gruppe, die unabhängig von der Art der Kaltquellen Luft, Grundwasser oder Erdreich ist, ein „ausgezeichnetes“ Ergebnis mit einem großen Beitrag zum Klimaschutz. Nicht unerwähnt bleiben sollte jedoch, dass man auch bei einer so hohen Energieeffizienz immer noch 20% des teuren und hochwertigen Stroms benötigt, um zusammen mit 80% Erdwärme das Haus zu beheizen und mit warmem Wasser zu versorgen. Die hohe Energieeffizienz verursacht in diesem Fall auch erhöhte Kosten. Wem jedoch der Schutz des Klimas für sich und seine Kinder ein hohes Anliegen ist, der liegt mit einer Jahresarbeitszahl von 5 richtig. Hersteller, Bohrfirmen und Handwerker müssen jedoch reagieren, um von den hohen Kosten herunter zu kommen.Autoren: Dr. Falk Auer und Herbert SchoteBilder: Lokale Agenda 21

*) Schlussbericht über die Energieeffizienz der CO2-Erdsonden – Elektro-Wärmepumpe Nr. 2301 in einem Einfamilienhaus in Offenburg (Oberrhein) der Lokalen Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr (Schwarzwald) im Rahmen der Phase 2 „Innovative Wärmepumpensysteme“ des „Feldtests Wärmepumpen“ unter www.agenda-energie-lahr.de/WP_FeldtestPhase2.html.


Nachgefragt

IKZ-FACHPLANER: Eine Arbeitszahl von über 5 im praktischen Betrieb. Diese Effizienz einer Wärmepumpe überzeugt. Doch betrachten wir einmal die Gesamtheit aller getesteten Anlagen. Wie fällt Ihr Resümee dann aus?

Dr. Falk Auer: Die Bilanz des Feldtests ist durchwachsen. Nach wie vor gibt es große Unterschiede zwischen den Angaben der Hersteller auf der einen Seite und den tatsächlich in der Praxis erzielbaren Energieeffizienzen auf der anderen Seite. Ebenso streuen die Einzelwerte noch erheblich um die Mittelwerte. So bestimmten wir bei Erdreich-Wärmepumpen einen Mittelwert der günstigeren Erzeuger-Jahresarbeitszahl von 3,5 mit einer Bandbreite von 2,0 bis 5,4; bei den Luft-Wärmepumpen lauten die entsprechenden Werte 2,8 bzw. 1,3 bis 3,5. Somit hätten noch nicht einmal die Mittelwerte staatlich gefördert werden dürfen.

IKZ-FACHPLANER: Bleiben wir bei den Negativbeispielen. Worauf lassen sich die mitunter schlechten Jahresarbeitszahlen zurückführen?

Dr. Falk Auer: Verantwortlich für die Leis­tungsziffer COP (Coefficient of Performance) auf dem Teststand sind die Hersteller und für die Jahresarbeitszahl JAZ die Planer und Handwerker. Eine Wärmepumpe kann im Labor noch so gut sein, es nützt aber nichts, wenn in der Praxis nicht fachgerecht ge­plant und eingebaut wird. Typische Fehler bei der Planung und der Wärmepumpe selbst sind:

  • Rahmenbedingungen stimmen nicht: ungedämmte Gebäude aus den 70er- und 80er-Jahren und/oder keine großflächigen Heizkreisverteiler.
  • Wärmepumpensysteme zu komplex: Zusatz-Heizwärmeerzeuger wie Sonnenkollektoren oder Kaminofen; es geht der Durchblick verloren, verbunden mit Regelungs- und Steuerproblemen.
  • Wärmepumpen überdimensioniert: Takten; Einbau von Heizungspufferspeichern mit Verlusten; fragliche Kombispeicher; oft zu groß und zu hohe mittlere Speichertemperatur.
  • Hilfsenergie zur Erschließung der Kaltquellen Luft, Grundwasser und Erdreich: Insbesondere bei Grundwasser-Wärmepumpen ist die Nennleistung der Förderpumpe zu hoch; kaum Einsatz von hocheffizienten Pumpen und Lüftern.
  • Wärmedämmung der Rohre im Keller fehlt: Wärmeverlust und höhere Vorlauf-Temperatur erforderlich.
  • Hydraulischer Abgleich der Heizkreise: fehlt vielfach, obwohl Pflicht.
  • Heizkurve: oft zu hoch eingestellt, um Scherereien mit dem Kunden zu vermeiden.

IKZ-FACHPLANER: Der Schlüssel für eine hocheffiziente Wärmepumpenanlage liegt also in der Planung und Installation. Spielt das mittlerweile standardisierte Produkt – Wärmepumpe – vielleicht sogar eine eher untergeordnete Rolle?

Dr. Falk Auer: Die Wärmepumpe selbst spielt tatsächlich nicht die entscheidende Rolle, sie ist aber trotzdem ein wichtiger Bestandteil des Wärmepumpensystems. Ähnlich wie es bei der Planung und Installation noch viel bei der Aus- und Weiterbildung zu tun gibt, müssen auch die Wärmepumpenhersteller ihre Aggregate noch weiter ertüchtigen. Manche sind da schon auf einem guten Weg, z.B. durch:

  • Einsatz eines Verdichters mit variabler Leistung (modulierend): lange Laufzeiten, kein Heizungspufferspeicher notwendig.
  • Übergang von mechanischen auf elektronische Komponenten, z.B. Expansionsventil.
  • Optimierung der Regelungsstategie.
  • Bei Luft-Wärmepumpen Ausnutzung geeigneter Bedingungen der Umgebungsluft: Verringerung der notwendigen Abtauenergie für den Lamellenverdampfer, wenn es Temperatur und relative Feuchte zulassen.

Der Schlüssel für energieeffiziente Wärmepumpensysteme liegt aber nach wie vor beim Planer und Handwerker.

IKZ-FACHPLANER: Auf insgesamt sechs Jahre ist der Feldversuch angelegt. Die Zwischenergebnisse wurden in den Fachmedien regelmäßig publiziert. Wie ist die Resonanz seitens der Marktteilnehmer – Hersteller, Planer, Verarbeiter, Handel? Welchen Nutzen können sie aus den umfangreichen Erkenntnissen ziehen und tun sie das überhaupt?

Dr. Falk Auer: Obwohl inzwischen ausreichend Fakten und Zahlen aus Feldtests über die energieeffizientesten Wärmepumpensysteme vorliegen, setzen nicht ausreichend viele Marktteilnehmer diese Erkenntnisse und Empfehlungen auch in die Praxis um. Zunehmend entscheidend sind für sie und ihre Kunden geringe Investitionskosten. So kommt es, dass die weitgehend energie-ineffizienten Luft-Wärmepumpen - nur zwei von zwanzig übertreffen das schwache Energieeffizienzziel der dena und des RWE (siehe Info-Box) - in diesem Jahr erstmals einen Marktanteil von über 50% erreicht haben, während die energieeffizienten Grundwasser- und Erdreich-Wärmepumpen immer mehr ins Hintertreffen geraten – zulasten der Umwelt und des Klimas.

IKZ-FACHPLANER: Was müssten Planer, Hersteller, Handwerker und Nutzer noch berücksichtigen, um effiziente und wirtschaftliche Wärmepumpensysteme im Markt zu platzieren, damit die ehrgeizigen Klimaschutzziele der Europäischen Union und der Bundesregierung erreicht werden?

Dr. Falk Auer: Sie sollten eine gesamt-betriebswirtschaftliche Betrachtung durchführen, so wie das in der Industrie, im Gewerbe und dem Handwerk schon immer üblich war und ist. Es sähen dann viele Entscheidungen für einen bestimmten Heizwärmeerzeuger anders aus, wenn man neben der Investition auch noch die Energiekosten über die Lebensdauer der Wärmepumpenanlagen berücksichtigte sowie die inzwischen kräftig gestiegenen Sonderstrompreise für Wärmepumpen. Dann liegen nämlich die Erdreich-Wärmepumpen und neue Erdgas-Brennwertkessel, die inzwischen einen Nutzungsgrad bezogen auf den Heizwert von 100% auch in der Praxis erreichen, noch vor den Luft-Wärmepumpen.

 


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