Werbung

Jahresarbeitszahl, COP & Co. Teil 2: Ermittlung der JAZ mithilfe geeigneter Messtechnik

Nachdem im ersten Teil des Artikels die wesentlichen Unterschiede zwischen COP und Leistungszahl (JAZ) sowie deren Ermittlung und Beurteilung erläutert wurden, geht es nun im zweiten Teil um die messtechnische Erfassung von Wärmemengen, um die JAZ auch während des Betriebes der Anlage ermitteln zu können. Die Messungen werden im EE Wärme-Gesetz gefordert. Auch im Marktanreizprogramm werden diese als Fördervoraussetzung genannt. Allerdings kann nur geeignete Messtechnik eine zuverlässige Bestimmung der Jahresarbeitszahl gewährleisten.

Ermittlung der gelieferten Wärmemengen für die Beheizung eines Pufferspeichers durch Volumenstromerfassung mittels Ultraschalltechnik und Messung der Temperaturspreizung im Vor- und Rücklauf.

 

Das EE-Wärme Gesetz und das Marktanreizprogramm für Erneuerbare Energien formulieren Anforderungen hinsichtlich der Messung des Wärme- und Stromverbrauchs von Wärmepumpen-Anlagen. So heißt es im EE-Wärme Gesetz:
„Wärmepumpen müssen über einen Wärmemengen- und Stromzähler verfügen, deren Messwerte die Berechnung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen ermöglichen.“
Ausnahmen bilden hier nur Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen, deren Vorlauftemperatur nachweislich nicht mehr als 35°C beträgt. Ähnliche Anforderungen hält auch das Marktanreizprogramm für Erneuerbare Energien bereit, die im Juli 2009 nochmals präzisiert wurden:
„Fördervoraussetzung ist der Einbau eines Stromzählers sowie die Messung aller durch die Wärmepumpe abgegebenen Wärmemengen. Falls notwendig, sind hierzu mehrere Wärmemengenzähler vorzusehen.“
Für den Gesetzgeber und das BAFA ist die Thematik damit bereits erschöpfend erklärt. Für Planer und Wärmepumpenanbieter stellen sich aus technischer Sicht jedoch einige weitere Fragen. Z.B., welche Messverfahren sind technisch sinnvoll, um eine zuverlässige und exakte Ermittlung der Jahresarbeitszahl zu ermöglichen?

Bei zusätzlicher direkter Warmwasserbereitung über die Wärmepumpe kann im Kaltwasserzulauf ein geeigneter Ultraschallzähler die entsprechenden Wärmemengen korrekt erfassen.

Die Erfassung der Wärmemenge ist grundsätzlich durch zwei Techniken zu realisieren. So können die Wärmemengen für Heizung und Warmwasser durch Volumenstromerfassung mittels Flügelrad- oder Ultraschalltechnik und Messung der Temperaturspreizung im Vorlauf und Rücklauf erfasst werden. Ein weiteres Messverfahren stellt die Ermittlung der Wärmemenge durch Temperatur-/Druckermittlung innerhalb des Kältekreislaufs dar. Dieses System wird von einigen Wärmepumpenherstellern eingesetzt. Ein Nachweis der Genauigkeit wurde noch nicht erbracht. Erste Feld-Mess­ergebnisse zeigen jedoch eine hohe Genauigkeit dieser Technik.

Messzyklus als maßgeblicher Faktor
Bei der Wärmemengenmessung durch Volumenstromerfassung sind im Zusammenhang mit dem Einsatz in Wärmepumpenanlagen einige Besonderheiten zu berücksichtigen. So gilt der Messzyklus als maßgeblicher Faktor für die Genauigkeit der Wärmemengenerfassung.
Wenn das Rechenwerk des eingesetzten Messinstruments zu große Taktraten besitzt, können nicht 100% der produzierten Wärme erfasst werden. Die Folge ist eine geringere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen-Anlage. Ist der Messzyklus beispielsweise 60s oder größer, so werden die gelieferten Wärmemengen beim Start der Wärmepumpe nicht genau erfasst. Das gleiche gilt für schnelle Temperaturanstiege und bei größeren Temperaturspreizungen.

Bei Wärmepumpen mit Heißgas-Ansaugung sind ein zusätzlicher kleiner Zähler im Vorlauf sowie zwei Fühlerhülsen erforderlich.

Der Messzyklus eines Zählers ist in der Regel den technischen Unterlagen zu entnehmen. In einer normalen Heizungsanlage schwanken die Temperaturen nicht so extrem in kurzen Zeitabständen, sodass hier Zähler eingesetzt werden, die mit einem Messzyklus von 60 s oder länger arbeiten. Je größer der Messzyklus, desto länger hält die eingebaute Batterie. Durch das Aufkommen neuer Anwendungsgebiete, vor allem im Bereich der regenerativen Energien und Änderungen in der Gesetzgebung (neue Heizkostenvorordnung 2009) sind aber inzwischen Geräte verfügbar, die diesen Anforderungen gerecht werden. So gibt es mittlerweile eine Reihe von Geräten, die optimiert sind für den Einsatz in Wärmepumpen-Anlagen, Frischwasserstationen oder Heizkreisläufen von Warmwasserspeichern. Die genannten Anlagen benötigen Wärmezähler mit kurzen Messzyklen, die auch als „Schnellläufer“ bezeichnet werden. Sie verfügen, abhängig von der Stromversorgung über Messzyklen von 10 bis 16s. Als Beispiele seien Zähler des „Sharky Heat Ultraschallzähler“ oder der Kompaktwärmezähler „SensoStar2“ des Herstellers WDV-Molliné genannt.
Je kleiner also der Messzyklus des eingesetzten Wärmemengenzählers, desto genauer ist die Wärmemengenerfassung. Für Wärmepumpen optimal sollte deshalb ein Messzyklus von <20s gewählt werden.

Flügelrad oder Ultraschall?
Für die Auswahl eines geeigneten Volumenstromzählers stellt sich darüber hinaus die Frage, ob ein Flügelrad- oder ein Ultraschallzähler verwendet werden sollte. Die Ultraschalltechnik hat hier den Vorteil, dass sie verschleißfrei ist, da keine beweglichen Teile vorhanden sind. Die Einbaulage ist bei der Ultraschalltechnik weitgehend beliebig, sodass der Zähler ohne Weiteres in horizontale oder vertikale Leitungen eingesetzt werden kann.
Der Druckverlust des Messwertgebers ist bei der Ultraschalltechnik geringer. Dies ist besonders für den Einsatzbereich Wärmepumpen ein wichtiger Aspekt, da die Volumenströme in Relation zur Leis­tung der Wärmepumpen relativ groß und die Temperaturspreizung meist nur zwischen 2 und 5K betragen. Es sollte darauf geachtet werden, dass der Wärmezähler korrekt ausgelegt wird. Die Pumpe sollte nicht gegen einen zu hohen Widerstand arbeiten müssen, den ein zu klein ausgelegter Zähler verursachen kann.

Der Druckverlust eines Ultraschall-Zählers ist bei gleichen Volumenströmen geringer. Somit ist er für den Einsatzbereich Wärmepumpen optimal, da die Volumenströme in Relation zur Leistung der Wärmepumpen relativ groß sind.

Wärmezähler mit Ultraschalltechnik sind zwar etwas teurer als konventionelle Flügelradzähler, eignen sich aber insbesondere aufgrund des geringeren Druckverlustes für die hohen Volumenströme von Wärmepumpen. Sie sind darüber hinaus problemlos in herkömmlichen, mit Wasser befüllten Anlagen einsetzbar. Ihr Einsatz mit Glykol- oder Solegemischen sollte im Einzelfall mit dem Hersteller abgestimmt werden.

Messtechnisch und rechnerisch ermittelte JAZ
Nachdem nun die richtige Messtechnik ausgewählt wurde, kommt spätestens nach dem ersten Betriebsjahr der Wärmepumpe der Tag, an dem der Kunde oder Betreiber einer Wärmepumpen-Anlage die Effizienz seiner Investition überprüfen möchte. Hierzu sei nochmals gesagt, dass Jahresarbeitszahlen, die nach VDI 4650 berechnet wurden, mit einer messtechnisch ermittelten JAZ nicht ohne Weiteres vergleichbar ist, da diese nur einen normativen Vergleichswert für vorgegebene Betriebsbedingungen wiedergibt. Die Betriebsbedingungen vor Ort führen aber häufig zu Abweichungen bei den Jahresarbeitszahlen. Hier sind insbesondere die fehlende Witterungsbereinigung, die Einstellung der Thermostat- und Zonenventile, die Reglereinstellungen, sowie Laufzeiten der Wärmepumpe zu nennen. Weiterhin beeinflusst das Nutzerverhalten des Betreibers die Jahresarbeitszahl erheblich (Lüftungsverhalten, Raumtemperaturen, Warmwasserverbrauch etc.).

Einflussfaktoren für die Messung von JAZ
Die messtechnische Ermittlung der JAZ kann durch eine Vielzahl von Fehlerquellen zu ungenauen Ergebnissen und falschen Einschätzungen der Anlageneffizienz führen.
Ist beispielsweise die messtechnische Ermittlung der JAZ nicht über ein Jahr erfolgt (z.B. erste Messergebnisse nur über die Sommer- oder Wintermonate), so hat dies natürlich Auswirkungen auf die JAZ.
In Neubauten sollte immer berücksichtigt werden, dass in den ersten Jahren nach Fertigstellung des Hauses mit einem erhöhten Energieaufwand durch die Bautrocknung zu rechnen ist. Dieser erhöhte Energieaufwand schlägt sich in einer schlechteren Jahresarbeitszahl und einem erhöhten Stromverbrauch nieder.
Bei Wärmepumpen, die mit einer direkten Erhitzung des Warmwassers arbeiten, ist die Wärmemenge technisch bedingt nur schwer mit herkömmlichen Zählern zu erfassen. Wenn diese Leistung nicht gemessen wird, führt dies ebenfalls zu Abweichungen der JAZ.
In diesem Fall muss die Wärme in den mit Trinkwasser beaufschlagten Rohrleitungen gemessen werden. So gibt es entsprechende Wärmezähler, die für den Einsatz in Trink- und Brauchwasser geeignet sind und die den Vorgaben der KTW und der Trinkwasser-Verordung entsprechen.

Autor: Dipl.-Ing. Stefan Sobotta, Leiter Systemtechnik, Enertech GmbH
Division Giersch, Hemer

www.giersch.de
www.molline.de

 


 

Nachgefragt

IKZ-FACHPLANER: Die mithilfe der VDI 4650 ermittelten Jahresarbeitszahlen können – wie gezeigt - stark von den in der Praxis ermittelten Werten abweichen. Brauchen wir in Zukunft ein Vertragswerk zur rechtlichen Absicherung der ermittelten JAZ gegenüber unseren Kunden, mit dem Betriebsparameter zur Nutzung der Wärmepumpe – wie beispielsweise die Höhe des Warmwasserbedarfs oder der Zapftemperatur – genau festgelegt werden könnten?
Stefan Sobotta: Mit der Überarbeitung der VDI 4650 zum März 2009 ist die Genauigkeit der Berechnung gestiegen – der Unterschied zu messtechnisch ermittelten Werte gesunken. Das Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Jahresarbeitszahl für die Warmwasserbereitung ist als wichtigste Neuerung zu nennen. Die Vielzahl und die fehlende Überprüfbarkeit der einzuhaltenden Parameter macht eine Absicherung über ein Vertragswerk unmöglich. Was nutzt es, wenn Werte für den Warmwasserbedarf und die maximale Temperatur im Warmwasserspeicher in einem Vertragswerk festgehalten werden, wenn diese im Nachhinein nicht überprüfbar sind?

IKZ-FACHPLANER: Der Bundesverband Verbraucherzentralen e.V. hält es für notwendig, die JAZ einer Wärmepumpe in den Werkvertrag mit aufzunehmen. Der Installateur schuldet damit nicht nur eine funktionierende Heizungsanlage sondern auch eine entsprechende Effizienz. Letztendlich schütze dies nicht nur den Energieverbraucher, sondern auch den Wettbewerb vor Billiganbietern mit unseriösen Effizienzangaben. Ist dies aus Ihrer Sicht eine sinnvolle Vorgehensweise?
Stefan Sobotta: Selbst wenn man solch einer Forderung zustimmen würde, wie soll im Streitfall nachgewiesen werden, aufgrund welcher Parameter es zu einer fehlenden Effizienz gekommen ist? Eine schriftliche Absicherung führt uns hier nicht weiter. Vielmehr ist der korrekten Planung und Installation durch eine fachspezifische Ausbildung z.B. in der Meisterschule Rechnung zu tragen. Die Wärmepumpenausbildung nach EU CERT kann heute schon interessierten Fachleuten das Wissen vermitteln, um Wärmepumpen fachgerecht zu montieren. Nur so können Fehler vermieden und dem Endkunden vermittelt werden, wie eine Wärmepumpe effizient zu betreiben ist.
Mittelfristig zahlt es sich nicht aus, Wärmepumpen einzusetzen, die billig im Preis aber schlecht in der Effizienz sind. Ab Mitte des Jahres muss der COP einer Wärmepumpe durch ein unabhängiges Prüfins­titut nachgewiesen werden, wenn Fördergelder aus dem MAP fließen sollen.

IKZ-FACHPLANER: Kann die JAZ noch seriös ohne detaillierte, kos­tenpflichtige Planungsleistungen, wie einer Berechnung der Heizlast, einer Überprüfung der Flächenreserven von evtl. vorhandenen Heizkörpern für geringere Vorlauftemperaturen und die messtechnische Ermittlung des tatsächlichen Warmwasserbedarfs bestimmt werden?
Stefan Sobotta: Die Berechnung der JAZ für Wärmepumpenanlagen in Bestandsgebäuden setzt u.a. die Angabe der maximalen Vorlauftemperatur voraus. Der richtigen Einschätzung/Berechnung durch den Fachmann fällt deshalb eine entscheidende Bedeutung zu.
Um sich im Wettbewerb behaupten zu können, bieten viele Hersteller von Wärmepumpen die nötigen Berechnungen als Serviceleis­tung an. Bei der Planung und Dimensionierung einer Wärmepumpenanlage werden Handwerker und Planer also durch den Hersteller unterstützt.

IKZ-FACHPLANER: Auch die messtechnische Ermittlung der Jahresarbeitszahl hat offensichtlich ihre Tücken. Um nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen, wäre auch hier eine einheitliche Festlegung der Messpunkte bzw. der Messtechnik erforderlich. Gibt es so etwas wie TAB’s für Energiezähler?
Stefan Sobotta: Ja. Im Marktanreizprogramm ist die Erfassung der Wärmemenge klar definiert. Unter 10. heißt es: „ Ab dem 1. Juli 2009 wird verbindlich die Messung aller durch die Wärmepumpe abgegebenen Wärmemengen gefordert.“ Jeder Hersteller/Fachbetrieb hat dies umzusetzen. Auch im Erneuerbare Energien Wärmegesetz heißt es: „Die Wärmepumpen müssen über einen Wärmemengen- und Stromzähler verfügen, deren Messwerte die Berechnung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen ermöglichen.

IKZ-FACHPLANER: Während die Förder-Voraussetzungen von Solarthermischen Anlagen oder Biomasse-Heizkesseln bereits mit einem Prüfzertifikat bzw. mit dem normativ ermittelten Kesselwirkungsgrad erfüllt sind, muss die Wärmepumpe zusätzlich als einzige Technologie Messtechnik bereitstellen, um die JAZ auch während des Betriebes der Anlage ermitteln zu können. Eine klare Benachteiligung, oder?
Stefan Sobotta: Ja, der Meinung bin ich auch. Wenn eine solarthermische Anlage beispielsweise nicht optimal Richtung Süden ausgerichtet ist oder auch durch Verschattung beeinträchtigt wird, hat dies keinerlei Einfluss auf die Förderung. Das zuständige Ministerium sollte die Anforderung für die Wärmepumpe auf ein nachprüfbares Maß begrenzen, z.B. indem der Wärmepumpe ein Mindest-COP nach Norm (DIN EN 14511 oder DIN EN 255) abverlangt wird.

IKZ-FACHPLANER: Die Diskussion um die im MAP geforderten JAZ sowie die Beibringung eines unabhängigen Prüfzertifikats wird möglicherweise schon sehr bald von der beschlossenen Haushaltssperre eingeholt. Wie viel Sinn macht ein MAP noch für Wärmepumpen, das auf der einen Seite hohe Anforderungen an Industrie und Heizungsbauer stellt und auf der anderen Seite durch den politischen „Stop & Go“-Kurs zu großer Verunsicherung bei den Verbrauchern führt?
Stefan Sobotta: Sie sprechen „des Pudels Kern“ an. Einerseits ist der maximale Förderbetrag nach MAP 2010 pro Anlage nach unten korrigiert worden und der Fördertopf wird aller Voraussicht nach spätestens im Herbst leer sein – anderseits sind die Auflagen zur Erlangung der Förderwürdigkeit gestiegen. Allein das Finanzieren der unabhängigen Prüfzertifikate, mit der die Angabe des COP’s belegt werden kann, ist für kleine und mittelständische Wärmepumpenhersteller kaum aufzubringen. Unter den o.g. Aspekten scheint eine Weiterführung fraglich.

Mit Dipl.-Ing. Stefan Sobotta, Leiter Systemtechnik, Enertech GmbH, sprach die IKZ-FACHPLANER-Redaktion über messtechnisch und rechnerisch ermittelte Jahresarbeitszahlen sowie die Förderung über das MAP für Erneuerbare Energiene.

 


Artikel teilen:
Weitere Tags zu diesem Thema: