Aus Verbrauchersicht wäre Performancegarantie sinnvoll

Studie zeigt Leistungsdefizite bei Wärmepumpen

Das Programm "Modellprojekte im Effizienzhaus Plus-Standard" des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) förderte in einer ersten Phase Bauherren, die beispielhaft Wohngebäude errichteten, die übers Jahr gerechnet mehr Energie aus erneuerbaren Quellen erzeugen als die Häuser für ihren Betrieb benötigen. Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP wertet die Daten der über ganz Deutschland verteilten Modellprojekte aus. Ein erstes Fazit: Monitoring ist notwendig, Qualität und Ausführung der Anlagen sind verbesserungsfähig. Da als Wärmeerzeuger vor allem Wärmepumpen eingesetzt werden, sei eine Performance-Garantie für diese Anlagen aus Verbrauchersicht sinnvoll, so die Forscher weiter. 

Es kommen in den Modellgebäuden Wärmepumpen mit den Wärmequellen Erdreich (13), Luft (12) und Wasser (7) zum Einsatz. Die Heizleistung liegt zwischen 1,5 kW und 20 kW im Einfamilienhaus und von 7 kW bis 120 kW im Mehrfamilienhaus.

Für 16 Modellvorhaben mit einer abgeschlossenen zweijährigen Messperiode liegen genügend Daten vor, um die mittlere Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe zu bestimmen. Die JAZ gibt das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge zur aufgenommenen elektrischen Energie wieder.

In der Untersuchung werden die Bilanzräume 2 und 3 ausgewertet. Bilanzraum 2 berücksichtigt die abgegebene Wärmemenge der Wärmepumpe einschließlich eines eventuell vorhandenen Heizstabes. Für Bilanzraum 3 wird die Nutzenergie am Ausgang der gebäudespezifischen Heizungs- und Warmwasserspeicher im Verhältnis zur Stromaufnahme der Wärmepumpe einschließlich aller Umwälz- und Ladepumpen betrachtet. Die auftretenden Speicherverluste sind in der JAZ berücksichtigt.

Aufgrund fehlender Messaufnehmer am Wärmepumpenausgang war für einige Geräte nur die JAZ für den Bilanzraum 3 bestimmbar. Zur Einordnung der Ergebnisse wird das "Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz" (EEWärmeG) herangezogen. Zur Förderung von Wärmepumpen verlangt es einen Zielwert der JAZ von 3,3 für Luftwärmepumpen unter Berücksichtigung der Warmwasserbereitung und für alle anderen Wärmepumpenarten eine JAZ von 3,8.

Für 15 Anlagen konnte nach der zweijährigen Monitoringphase die mittlere praktische JAZ für den Bilanzraum 2 bestimmt werden. Dabei wurde für sieben Anlagen die JAZ für ein Jahr bestimmt und für acht Anlagen für zwei Messjahre. Die untersuchten Luft-Wärmepumpen zeigen eine mittlere Arbeitszahl von 2,6. Erwartungsgemäß ist die JAZ der Erdreich-Wärmepumpen, die im Mittel eine Größe von 3,2 aufweist, größer als die der Luft-Wärmepumpen. Für die beiden untersuchten Wasser-Wärmepumpen schwankt die JAZ zwischen 2,7 und 4,4, im Mittel beträgt sie 3,2. Nur wenige Anlagen erreichen in der Monitoringphase die Zielwerte des EE-WärmeG.

Für den Bilanzraum 3, der den gesamten Wärmepumpenkreislauf einschließlich der Heizungs- und Trinkwarmwasserverteilung umfasst, fällt die praktische Jahresarbeitszahl aufgrund von Speicherverlusten geringer aus als beim Bilanzraum 2. Die mittleren Werte liegen hier zwischen 1,5 für Wasser-, 2,2 für Luft- und 2,5 für Erdreich-Wärmepumpen.

Für fast alle Anlagen zeigten sich Verbesserungspotenziale sowohl im Laufe der ersten beiden Monitoringjahre als auch nach Abschluss der Messungen. Einige Systeme wurden bereits im ersten Messjahr komplett ersetzt. Es erfolgten Nachjustierungen bei den Betriebsparametern, beispielsweise in der Einstellung der Vorlauftemperaturen. Nicht für alle Anlagen waren aufgrund begrenzter Messdaten die Gründe der Ineffizienzen im Detail analysierbar.

Eine Reihe symptomatischer Ursachen konnten die Forscher identifizieren:

  • Heizungsrelevante Anlagenteile waren oft ganzjährig in Betrieb und verursachten dadurch erhöhte Stand-by-Verluste
  • Gegenüber der normgerechten Auslegung um bis zu 3° höhere Innenraumtemperaturen und ein erhöhter Trinkwarmwasserbedarf
  • Fehlende Optimierung in den Regelstrategien
  • Geforderte erhöhte Systemtemperaturen im Mehrfamilienhausbereich zur Vermeidung von Legionellenbildung in der Trinkwarmwasserbereitung führten zu einer geringen JAZ

Der Anteil des Energieaufwands für die Bereitstellung der Wärme zur Trinkwarmwassererzeugung erhöht sich mit besser werdendem Wärmeschutz der Gebäude. Dies wirkt sich negativ auf die Jahresarbeitszahl aus. In Gebäuden mit KfW40-Standard sind daher tendenziell schlechtere JAZ vorzufinden als in KfW55-Gebäuden.

Eine detaillierte Ausführungsplanung und die Dokumentation des hydraulischen Abgleichs lagen nicht durchgängig vor. Überdimensionierung und unzureichend einregulierte Netzhydraulik können das energetische Verhalten der Wärmepumpenanlage negativ beeinflussen.

Um eine fundierte Planung und Ausführung der Anlagen sicherzustellen, welche die Abhängigkeit zwischen den Komponenten des hydraulischen Gesamtsystems, dem Nutzereinfluss und dem energetischen Niveau des Gebäudes berücksichtigt und optimiert, sollte künftig auf die umfassende Schulung von Planern und Ausführenden erhöhter Wert gelegt werden, so die Autoren der Studie. Zur Überprüfung der Systeme im eingebauten Zustand sowie zur Effizienzsteigerung im Betrieb habe sich Monitoring als sinnvolles und notwendiges Instrument erwiesen. Messdaten sollten in den ersten Betriebsjahren kontinuierlich zur Optimierung ausgewertet werden. Die in Kürze erscheinende VDI 4645 könnte helfen, als Qualitätsbaustein die Planung und Ausführung von Wärmepumpen zu verbessern, schreiben die Autoren weiter. Die Abgabe einer Performancegarantie sei aus Verbraucherschutzüberlegungen anzustreben. Generell könne die Planung einfacher robuster Systeme in Verbindung mit kontinuierlicher Schulung von Planern und Ausführenden und einer verständlichen Information der Nutzer zu einer Effizienzsteigerung der Wärmepumpenanlagen in der Praxis beitragen. Quelle: IBP / pgl

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