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Effizienzpotenzial vorhanden


IKZ Haustechnik - epaper ⋅ Ausgabe 4/2019 vom 19.02.2019

Das Monitoring von Wärmepumpen in Gebäuden mit Effizienzhaus Plus-Standard zeigt Defizite im Betrieb. Ist das notwendige Know-how bei Planern und Handwerkern aber vorhanden, spielen die Wärmepumpen ihre ökonomischen und ökologischen Vorteile voll aus


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?

Effizienzhaus Plus-Standard“ fördert das Bundesbauministerium neugebaute Wohnhäuser, ...

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Bildquelle: IKZ Haustechnik, Ausgabe 4/2019

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... 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.

Bild 1: Sorgfältig geplant und richtig installiert können Luft/Wasser-Wärmepumpen in einem Einfamilienhaus den Ausstoß von klimaschädlichem CO2 pro Jahr um 2,5 t verringern.


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

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.

Bild 2: Elektro-Wärmepumpen landeten mit 78 000 verkauften Geräten und einem Absatzplus von 17 % im vergangenen Jahr erstmals auf Platz zwei der beliebtesten Heizungstech nologien.


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.

Bild 3: Darstellung der Bilanzräume zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen während der Feldmessungen.


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 Vorlauft emperaturen wurden neu justiert. Die Effi zienz ließ sich dadurch messbar steigern.

Qualifi zierung durch Schulungen nötig
Das IBP empfi ehlt, 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 Nutzereinfl uss bei der Bedienung und das energetische Niveau des Gebäudes, in das die Anlage eingebaut wird, ausführlich berücksichtigen.

Bild 5: Wärmepumpen-Feldtests zeigen, dass die Hydraulik des Gesamtsystems (Wärmepumpe, Speicher und Verteilung), die Nutzungsbedingungen sowie das energetische Niveau eines Gebäudes für die Jahresarbeitszahl und damit für die Anlagenleistung einer Wärmepumpe entscheidend sind.


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

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

Bild 6: Um die Effizienz von Wärmepumpenanlagen sicherzustellen, sollten Planer und Handwerker künftig noch besser geschult werden. Die VDI 4645 Blatt 1 stellt ein Konzept zur Weiterbildung von Fachleuten bereit, die an der Planung, der Errichtung und dem Betrieb von Wärmepumpen beteiligt sind.


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.

J AZ = kkWWhh//aa ((SWträormm)e)

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.

Bild: Bundesverband Wärmepumpe (BWP)

Bild: Fraunhofer IBP

Grafi k: Fraunhofer IBP

Bild: Bundesverband Wärmepumpe (BWP)

Bild: Viessmann