Wärmepumpen-Blogserie: So effizient sind sie auch im Altbau

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Heizung mit Katze
Gemütlich zu Hause chillen - dank effizienter Wärmepumpen ist das schon heute möglich / Foto (c) iStock/LittleBee80

Unter welchen Bedingungen lohnt sich eine Wärmepumpen-Heizung auch für Bestandsgebäude? Und birgen Altbauten für Wärmepumpenheizungen besondere Herausforderungen? Das berichten wir in der 4. Folge unserer Blogserie: Ergebnisse aus einem Projekt mit Luft-Wärmepumpen und Erd-Wärmepumpen.

Die Frage, wie gut eine Wärmepumpe funktioniert, hängt von mehreren Aspekten und Kennzahlen ab. Meist versteht man unter „wie gut“ im Grunde „wie effizient“. Die Effizienz wird zuerst im Labor ermittelt, unter bestimmten Arbeitsbedingungen. Konkret werden so genannte Norm-Leistungszahlen (COP-Werte) gemessen. Anhand dieser Werte können wir verschiedene Modelle von Wärmepumpen miteinander vergleichen.

Etwas anschaulicher für die Nutzer sind die Arbeitszahlen. Diese werden auf Grundlage der Leistungszahlen und konkreter Betriebsparameter berechnet. Die Arbeitszahlen geben somit an, welche Effizienz bei bestimmten Außentemperaturen und Heizungstemperaturen zu erwarten ist. Mit ihrer Hilfe ist es deshalb möglich, die zukünftigen Betriebskosten einer Anlage abzuschätzen. Und schließlich gibt es auch die Effizienzwerte, die im Feld unter realen Bedingungen über einen bestimmten Zeitraum – meistens ein Jahr – gemessen werden. Diese Werte werden „Arbeitszahlen“ genannt und bilden die tatsächlich erreichte Effizienz der Anlagen ab.

Durchschnittliche Effizienz von Wärmepumpen im Betrieb

Rund 300 im Einsatz befindliche Wärmepumpen hat das Fraunhofer ISE im Laufe von 20 Jahren vermessen und die Arbeitszahlen dieser Anlagen ermittelt. Die Tabelle unten zeigt die Ergebnisse aus zwei Projekten, die in Bestandsgebäuden im Abstand von ungefähr zehn Jahren durchgeführt wurden. Die Verbesserung der mittleren Effizienzzahlen, zum Beispiel von 3,3 auf 4,1 bei Erdreich-Wärmepumpen, lässt sich deswegen teilweise mit der technologischen Verbesserung der Geräte erklären. Ein weiterer Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse ist ein anderer energetischer Zustand der untersuchten Gebäude. Je nach Altbau-Beschaffenheit und Sanierungsstand kann bei der Wärmepumpe in Bestandsgebäuden somit ein anderer Wert ermittelt werden.

Im ersten Projekt wurden überwiegend unsanierte Gebäude untersucht, die zu 90 Prozent mit Heizkörpern beheizt wurden. Im zweiten Projekt waren zwar alle Häuser zwischen 15 und 150 Jahre alt, aber einige waren entweder teilsaniert oder vollständig saniert. Alle Effizienzwerte wurden für Wärmepumpenanlagen ermittelt, die sowohl der Raumheizung als auch der Trinkwassererwärmung dienten. Auch der Strombedarf der zusätzlichen Elektroheizstäbe wurde bei der Berechnung der Werte berücksichtigt.

Effizienzwerte der Wärmepumpen-Anlagen aus zwei Feldprojekten in Bestandsgebäuden. Graphik: Fraunhofer ISE

Diese Werte wurden bei der Wärmepumpenheizung im Altbau ermittelt

Im Zeitraum vom Juli 2018 bis Juni 2019 erreichten die 29 untersuchten Außenluft-Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8. Der Mittelwert lag bei 3,1. (Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ in vollsanierten Häusern wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt.) Die zwölf Erdreich-Wärmepumpen erreichten JAZ zwischen 3,3 und 4,7. Der Mittelwert lag bei 4,1. (Hierbei wurde ein negativer Ausreißer mit 1,8 nicht berücksichtigt.) Die erreichten Werte zeigen, dass die Wärmepumpen bereits beim heutigen Strommix in Deutschland einen geringeren CO2-Ausstoß verursachen als eine Gasheizung mit Solarthermie-Unterstützung. In einer späteren Folge werden wir auf dieses Thema näher eingehen.

Einfluss von Vorlauftemperaturen und unterschiedlichen Wärmeübergabesystemen

Diese hoch-aggregierten Werte vermitteln natürlich nur ein grobes Bild der untersuchten Wärmepumpenanlagen. Ein Beispiel für eine detailliertere Auswertung ist auf dem folgenden Bild zu sehen. Die Grafik zeigt die jährlichen Effizienzergebnisse von 41 Luft-Wasser-Wärmepumpen während der Bereitstellung der Raumwärme. Für jede Anlage sind die erreichte Effizienz sowie die maximale (Tages)-Vorlauftemperatur zu erkennen. Die drei Farben symbolisieren unterschiedliche Wärmeübergabesysteme. Orange dargestellt sind Häuser mit Heizkörper, blau die Häuser mit Fußbodenheizung und grün die Anlagen mit gemischten Systemen.

Zuerst ist eine allgemeine Abhängigkeit zu erkennen – je niedriger die Vorlauftemperaturen, desto höher die Effizienz bei der Wärmepumpenheizung eines Altbaus. Die theoretischen Überlegungen wurden also in der Praxis bestätigt. Und offensichtlich ist auch die zweite Annahme – die Heizungsanlagen mit Fußbodenheizung erreichen tendenziell höhere Effizienzwerte als Systeme, die höhere Vorlauftemperaturen benötigen – in der Realität nachzuweisen.

Bemerkenswert ist allerdings die Tatsache, dass dieses Bild zum Differenzieren einlädt. Die meisten Ergebnisse liegen zwischen den Effizienzwerten von 3 und 4. Der Mittelwert für alle Anlagen liegt bei 3,3. Sowohl Anlagen mit Fußbodenheizung als auch solche mit Heizkörper erreichten ähnliche Effizienzwerte. Umgekehrt haben aber die sieben Anlagen, die mit einer sehr ähnlichen maximalen Vorlauftemperatur um 48°C gearbeitet hatten, eine jährliche Effizienz von 1,5 bis 3,8 erreicht. Eine so enorme Bandbreite deutet deshalb auf andere Einflussfaktoren hin!

Beispielsweise waren die Anlagen mit den auffällig niedrigen Effizienzwerten um 1,5 eher ältere Geräte mit einer sehr geringen Norm-Leistungszahl (COP-Wert). Entscheidend ist jedoch, dass bei diesen Anlagen aufgrund von Mängeln bei der Auslegung relativ häufig der Elektroheizstab zum Einsatz kommen musste.

Die Heizkreistemperaturen sind also nicht immer ausschlaggebend für die Effizienz der Anlagen. Diese Erkenntnis ist ermutigend für jene Fälle, bei denen relativ hohe Vorlauftemperaturen notwendig sind: Denn auch bei diesen Anlagen lässt sich eine gute Effizienz erreichen. Sie zeigt allerdings auch, dass nicht allein das Wärmeübergabesystem entscheidend ist, sondern ebenso die sorgfältige Planung, Installation und Einstellung der Wärmepumpenanlage.

Schon heute sind die Mittelwerte für die Effizienz von Wärmepumpen gut

Die Ergebnisse aus den Studien verdeutlichen, dass Wärmepumpen zum Heizen und Erwärmen von Wasser auch in Bestandsgebäuden zuverlässig funktionieren und Wärmepumpe und Altbau so durchaus zusammenpassen. Außerdem sind sie ökologisch vorteilhaft (dazu mehr in einer weiteren Folge der Serie). Die Geräte arbeiteten in der Regel einwandfrei: Im Betrieb kam es nur selten zu Störungen. In den vergangenen Jahren haben sich die Modelle bereits deutlich verbessert; und auch zukünftig sind weitere Innovationen sicher möglich. Doch schon heute lassen sich die Effizienzmittelwerte mindestens mit „gut“ bewerten.

Die nächste Folge der Serie beschäftigt sich mit Heizstäben: Inwieweit verringert sich durch den Einsatz des Heizstabs die Effizienz der Wärmepumpe?

Die Inhalte unserer jeweils am Samstag erscheinenden Wärmepumpen-Blogserie hat uns das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zur Verfügung gestellt, wofür wir sehr herzlich danken!

Autor: Dr. Marek Miara, Wärmepumpen-Spezialist am Fraunhofer ISE (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme)

Zum Weiterlesen:

Überblick über die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen.

Teil 3 der Serie «Wärmepumpen im Bestand»

In der vorigen Folge 3 haben wir uns mit der Frage beschäftigt, wie viel Sanierung notwendig ist, damit die Wärmepumpe effizient arbeiten kann. In der nächsten Folge 5 geht es auch um Wärmepumpen im Gebäudebestand; und wir gucken, wie stark der Einsatz eines Heizstabs die Effizienz von Wärmepumpen verringert.

Links zu allen bisher erschienen Folgen finden Sie hier im Kasten am Ende von Folge 1.