CO2-neutrale Gebaeude-Nutzung/Waermepumpen
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Wärmepumpen auch für Bestandsgebäude eine Empfehlung
Feldtest des Fraunhofer ISE beweist: CO2-Emissionen deutlich geringer als bei Gas-Brennwertgeräten.
- Nur selten Störungen.
- Signifikante Vermeidung von CO2-Emissionen.
- Jahresarbeitszahlen bis 4,7.
- Heizkreistemperaturen geringer als erwartet.
- Elektroheizstäbe kaum in Betrieb.
Fakt ist: Elektrische Wärmepumpen stellen im Neubau inzwischen die dominierende Heiztechnologie dar. Im Jahr 2019 entschieden sich 46 Prozent der Gebäudeeigentümer dafür. Ob sie auch in älteren Wohngebäuden genügend Wärme liefern und Kohlendioxid-Emissionen einsparen, dazu lagen kaum fundierte Erkenntnisse vor. Für die Wärmewende ist dies jedoch zentral: Der Gebäudebestand benötigt rund 30 Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutschland.
Mit der Ungewissheit ist nun Schluss. Auch in Bestandsgebäuden funktionieren die Wärmeerzeuger zuverlässig und sind ökologisch vorteilhaft. So das Ergebnis des Forschungsprojekts des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE. In dem Projekt „WPsmart im Bestand“ wurden 56 bestehende Gebäude mit Wärmepumpen untersucht.
• Nur selten Störungen
„Die Wärmepumpen in unserem Forschungsprojekt liefern die gewünschte Wärme zuverlässig, es gab kaum Betriebsstörungen“, stellt Dr. Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer ISE. „Offensichtliche Fehler bei der Installation oder Parametrierung der Regler traten im Vergleich zu früheren Feldtests deutlich seltener auf. Dies ist auch auf den Zuwachs von Know-how bei Herstellern und Installateuren in den letzten zehn bis 15 Jahren zurückzuführen.“
• Elektroheizstäbe kaum in Betrieb
Die Energieverbräuche der Elektroheizstäbe, die bei besonders kalten Temperaturen die Wärmepumpe unterstützen, spielten bei den vermessenen Anlagen eine untergeordnete Rolle. Bezogen auf alle mit Elektroheizstab ausgestatteten Außenluft-Wärmepumpen (24 von 29) betrug der Anteil der Heizstabsarbeit 1,9 Prozent.
Bei den Erdreich-Wärmepumpen nahmen nur 2 von 12 Anlagen die Heizstäbe überhaupt in Betrieb.
• Signifikante Vermeidung von CO2-Emissionen
Im Jahr 2018 lagen die vom ISH errechneten Kohlendioxid-Emissionen der vermessenen Außenluft-Wärmepumpen um 19 bis 47 Prozent niedriger als dies bei Wärmeversorgung der gleichen Gebäude mit Gas-Brennwertheizungen der Fall gewesen wäre.
Bei den Erdreich-Wärmepumpen sogar bei 39 bis 57 Prozent.
Durch den weiteren Zubau von Windkraft und Photovoltaik werden sich die CO₂-Kennwerte für den Strom weiter verbessern, sodass die CO2-Emissionen weiter sinken werden. Folglich sind selbst bei einem pessimistischen Ökostromausbauszenario mittelfristig Einsparungen von mehr als 50 Prozent zu erwarten.
• Individuelle Bedingungen entscheidend, nicht das Alter der Gebäude
Nichtsdestotrotz: Die Nutzung von Wärmepumpen im Gebäudebestand ist kein Selbstläufer. „Ein erfolgreicher Betrieb hängt nicht nur von der Qualität und Effizienz der Wärmepumpe ab, sondern vor allem auch von äußeren Faktoren“, betont Miara. „Dazu gehört vor allem das energetische Niveau des Gebäudes und das installierte Wärmeübergabesystem.“
Das Alter des Gebäudes ist nach den im Projekt erhobenen Daten nicht relevant. Auch ein Umstieg auf Flächenheizsysteme ist nicht zwangsläufig erforderlich –auch Heizkörper mit vergleichsweise geringen Temperaturen wurden betrieben. Auf dem Markt werden inzwischen Heizkörper angeboten, die bei gleichem Platzbedarf wesentlich geringere Heizkreistemperaturen benötigen.
„Der Gesamterfolg hängt von einer guten Planung und sorgfältigen Installation ab“, resümiert Miara. Heizungsinstallateuren und Planern komme daher eine zentrale Rolle zu, so der Forscher.
Die im Projekt untersuchten Häuser sind zwischen 15 und 170 Jahre alt. Die vor der ersten Wärmeschutzverordnung 1979 errichteten Gebäude wurden in unterschiedlichem Ausmaß saniert, während die eher seltenen Sanierungsmaßnahmen bei den jüngeren Gebäuden kaum Einfluss auf die energetische Qualität der Gebäudehülle hatten. Der witterungsbereinigte spezifische Heizwärmeverbrauch aller Gebäude reicht von 50 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m²*a) bis 250 kWh/m²*a.
• Jahresarbeitszahlen bis 4,7
Das Fraunhofer ISE wertete 41 Wärmepumpen mit gleichem Auswertzeitraum und einheitlicher Bilanzgrenze aus. Für den Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 hat das Institut 29 Außenluft-Wärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung analysiert. Die Anlagen erreichten Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8. Der Mittelwert lag bei 3,1. (Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt.)
Die JAZ bei den 12 Erdreich-Wärmepumpen lag zwischen 3,3 und 4,7 bei einem Mittelwert von 4,1. (Ein negativer Ausreißer blieb unberücksichtigt.).
• Einbindung in intelligente Netze untersucht
Das Fraunhofer ISE untersuchte in dem Projekt auch die Einbindung elektrischer Wärmepumpen in ein intelligentes Stromnetz. Im Fokus standen die Funktionalitäten des SG-Ready-Labels, das Smart-Grid-fähige Wärmepumpen kennzeichnet.
Simulationsrechnungen haben die Zweckmäßigkeit der intelligenten Ansteuerung bestätigt und für eine Poolgröße ab 250 Wärmepumpen eine reproduzierbare Laständerung nachgewiesen. Im Rahmen der Felduntersuchung von 9 via SG-Ready angesteuerten Wärmepumpen konnten die technische Implementierung erprobt und die Einflüsse der smarten Regelansätze sowie der Eigenschaften der Anlagen auf die Lastverschiebung ermittelt werden.
• Heizkreistemperaturen geringer als erwartet
Die maximal zur Raumheizung erforderlichen Vorlauftemperaturen lagen für die 27 Außenluft-Wärmepumpen im Mittel bei knapp 44 Grad Celsius, bei den 11 Erdreich-Wärmepumpen waren es etwas über 45 Grad Celsius (jeweils ohne Ausreißer). „Im Bestandsgebäudebereich werden oft die erforderlichen Heizkreistemperaturen im Normauslegungspunkt diskutiert, also die Heizkreistemperaturen bei sehr geringen Außentemperaturen um minus zwölf bis minus 16 Grad Celsius“, so Miara. Solche bitterkalten Tage gibt es jedoch nur äußerst selten.
„Ausschlaggebend für die Effizienz sind daher vor allem die erforderlichen Temperaturen, wenn am meisten geheizt wird, also bei Temperaturen knapp über null Grad Celsius. Die seltenen Extreme fallen daher in der Jahresbilanz kaum ins Gewicht.“
• Bewerber für neuen Feldversuch gesucht
Das Fraunhofer ISE untersucht seit dem Jahr 2000 Wärmepumpen. Partner im Projekt „WPsmart im Bestand“ waren die Hersteller ait-deutschland, Bosch Thermotechnik, Glen Dimplex, Heliotherm, Weishaupt, Stiebel Eltron, Vaillant und Viessmann sowie die Energieversorger Elektrizitätswerke Mittelbaden, die Lechwerke und die Stadtwerke Stuttgart.
Von 2020 bis 2022 wird das Institut drei weitere Jahre Wärmepumpen-Know-how sammeln: mit dem neuen Forschungsprojekt „WP-Qualitätssicherung im Bestand“. Vorgesehen ist eine Feldmessung mit bis zu 100 Elektro-Wärmepumpen im Einfamilienhausbestand. Interessierte Hauseigentümer können sich noch bis Ende September 2020 registrieren. Gesucht werden Gebäude, die vor 1995 errichtet wurden.