Warum Wärmepumpen die Leistung nicht erreichen - und wie sie es könnten

Die Katalogangaben werden bei tatsächlich realisierten Wärmepumpenanlagen oft nicht erreicht. In der Schweiz wird darüber offen diskutiert und es werden Lösungen für effizientere Anlagen erarbeitet. Man prognostiziert, dass sich unter günstigen politischen Rahmenbedingungen und bei kontinuierlichen Verbesserungen der Effizienz und Wirtschaftlichkeit die Jahresarbeitszahlen der verschiedenen Wärmepumpentypen und -anwendungen in den nächsten 30 Jahren verdoppeln könnten. Dieses Stimmungsbild wurde bei der 26. Tagung des Forschungsprogramms „Wärmepumpen und Kältetechnik“ des schweizerischen Bundesamtes für Energie gewonnen, die Covid-19-bedingt als Live Stream stattfand.

Kleinigkeiten beeinflussen die Effizienz

Theoretisch sind Wärmepumpen sehr effiziente Energiewandler. Mit Strom aus dem öffentlichen Netz oder – noch besser - von der PV-Anlage auf dem eigenen Hausdach kann ein Vielfaches an nutzbarer Wärme erzeugt werden. Doch was im Labor oder auf den Prüfständen der Wärmepumpenhersteller optimal funktioniert, muss sich nicht zwangsweise auch in der Praxis einstellen. Messungen an realisierten Anlagen sowohl in Deutschland als auch in der Schweiz zeigen, dass die prognostizierte Effizienz oft nicht erreicht wird.

Die Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz hat die Probleme mit nicht sachgemäß geplanten und ausgeführten Wärmepumpenanlagen früh erkannt und bereits in den 1990er-Jahren Peter Hubacher als „Wärmepumpendoktor“ etabliert. Unzufriedene Hausbesitzer mit Wärmepumpen konnten sich von Hubacher herstellerunabhängig beraten lassen.

Oft waren es nur Kleinigkeiten, die allerdings die Effizienz maßgeblich beeinflussten. Durch die sorgfältige und gewissenhafte Marktbearbeitung, gepaart mit umfassenden nationalen und internationalen Forschungsprojekten, hat sich die Schweiz zum Vorzeigeland für innovative Wärmepumpenlösungen entwickelt. 

Monitoring-Studie zeigt Schwachstellen

Ähnlich wie das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Freiburg, führt auch das Institut für Energiesysteme der Interstaatlichen Hochschule für Technik (NTB), Buchs/Kanton St. Gallen, Feldtests an ausgeführten Wärmepumpenanlagen durch. Die seit 2016 in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Energie – EnergieSchweiz – laufende Studie umfasst mittlerweile 20 Wärmepumpenanlagen zum Heizen und zur Trinkwassererwärmung (TWE) mit Schwerpunkt Einfamilienhäuser.

Dabei geht es in erster Linie darum, die tatsächliche Effizienz der Systeme im Betrieb aufzuzeichnen und diese mit Herstellerdaten und Labormessungen zu vergleichen. Dazu hat das Team um Ralph Kuster von der NTB Buchs eine auf Digitaltechnik basierende Messmethodik und Datenerfassung entwickelt, die nicht nur aktuelle Energieverbräuche erfasst, sondern auch hochauflösende Daten in definierbaren Intervallen über Leistungsänderungen innerhalb eines vorgegebenen Zeitverlaufs liefert.

Aus den Messwerten von sieben Einfamilienhäusern mit Luft / Wasser-Wärmepumpen und sechs mit Sole/Wasser-Wärmepumpen, jeweils Standardinstallationen, ergeben sich folgende Erkenntnisse:

• In Neubauten mit Sole/Wasser-Wärmepumpen (Vorlauftemperatur ca. 30 °C) sind im reinen Heizbetrieb Jahresarbeitszahlen (JAZ) von mehr als 6 erreichbar;
• In Kombination mit der Trinkwasser­erwärmung (Aufladung des Speichers) sinkt die JAZ auf ca. 5,2;
• Luft / Wasser-Wärmepumpen erreichen eine JAZ von 4,0 beim Heizen und
• 3,7 für Heizen in Kombination
• mit Trinkwassererwärmung;
• Erwartungsgemäß sinkt der Wirkungsgrad bei höheren Vorlauftemperaturen, insbesondere bei der Nachrüstung von Wärmepumpen im Gebäudebestand.

Problem Trinkwassererwärmung

Ein besonderes Augenmerk müsse künftig auf die Trinkwassererwärmung mittels Wärmepumpe gelegt werden, mahnt Kuster. Hier gäbe es erhebliche Unterschiede zwischen der Effizienz der Wärmeerzeugung und der tatsächlich genutzten Wärme.

Die Ursachen lägen im Einsatz von elektrischen Heizelementen, z. B. durch Legionellenprogramme, in Verteilverlusten durch Zirkulationsleitungen sowie in Speicherverlusten.

Aufgrund der höheren Senkentemperatur im Speicher sei der Wirkungsgrad der Trinkwassererwärmung etwa 17,5 bis 19 Prozent niedriger als der Gesamtwirkungsgrad für Heizung und Trinkwassererwärmung. Besonders benachteiligt seien Sole/Wasser-Wärmepumpen während der warmen Jahreszeit.

Im Vergleich zu Luft/Wasser-Wärmepumpen mit ihrer vergleichsweise hohen sommerlichen Wärmequellentemperatur kann der Wirkungsgrad der Trinkwassererwärmung bei Sole / Wasser-Wärmepumpen um 28 bis 35 Prozent niedriger liegen als der Gesamtwirkungsgrad Heizen und Trinkwassererwärmung.

Mit der stetigen Verbesserung der Bausubstanz (Dämmung) kommt der Trinkwassererwärmung jedoch energetisch eine immer größere Bedeutung zu.

Aus den Ergebnissen der Messungen ­lassen sich folgende Erkenntnisse ableiten:

• Der Systemnutzungsgrad des Trinkwasser-Erwärmungssystems (mit Speicher und Zirkulationssystem)
• ist deutlich niedriger als der Wärmenutzungsgrad der Wärmepumpe. Dazu tragen insbesondere Speicherverluste und das Warmwasser-Zirkulationssystem bei. Die Verluste sind umso größer, je geringer der tatsächliche Warmwasserbedarf eines Gebäudes ist. Wann immer möglich sollte auf ein Zirkulationssystem im Einfamilienhaus verzichtet und in Neubauten Stichleitungen zu den Verbrauchern kurz gehalten werden;
• Der Energieverbrauch von Legionellenprogrammen kann stark reduziert werden, wenn der Speicher zunächst
• per Wärmepumpe aufgeladen und nur die Restwärme mittels elektrischem Heizstab zugeführt wird;
• Bei Luft / Wasser-Wärmepumpen sollte die Trinkwassererwärmung grundsätzlich tagsüber erfolgen, wenn die Außentemperatur am höchsten liegt;
• Einige Wärmepumpenanlagen schalteten an kühlen Sommerabenden die Heizung ein, obwohl die Temperatur in den Räumen noch im Komfortbereich lag. Durch eine Anpassung der Heizkurve, also die Senkung der Vorlauftemperatur, konnte die zwischensaisonale JAZ in einem Fall von 2,7 auf 3,4 gesteigert werden.

Trotz vergleichsweiser guter Ergebnisse der Feldstudie gebe es weiteres Verbesserungspotenzial, insbesondere bei der Trinkwassererwärmung, so Kuster.

Bis 2050 Effizienzwerte von 9 bei Neubauten möglich

Inwieweit ein Wechsel von fossilen Energieträgern zu strombasierenden Systemen für den Nutzer attraktiv ist, hängt offensichtlich nicht nur von der technischen Weiterentwicklung von Wärmepumpensystemen ab, sondern zu gleichen Teilen auch von den zukünftigen politischen Rahmenbedingungen. Zu diesem Ergebnis kommen Manuel Prinzing und sein Team, Institut für Energiesysteme, Buchs. Basis der Prognose, welche Rolle die Wärmepumpe im Jahr 2050 spielen wird, sind real gemessene Betriebswerte von Wärmepumpen-Feldanlagen sowie mögliche Einflussgrößen aus dem Wärmepumpenumfeld.

Was die Zukunft der Wärmepumpe beeinflusst

Kältemittel

Aktuell wird die Entwicklung bei Kältemitteln größtenteils durch die europäische F-Gase-Verordnung bestimmt. Hiermit sollen Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial (GWP – Global Warming Potential) nach und nach aus dem Markt gedrängt und durch Ersatzkältemittel mit niedrigem GWP ersetzt werden. Aus Sicht der Autoren schließt sich daran eine Generation von neuen Kältemitteln auf der Basis von Hydro-Fluor-Olefinen (HFO) mit GWP-Werten von < 600 an. Die Marktdurchsetzung der neuen Kältemittel sehen die Autoren in der technischen Dreiecksbeziehung „GWP – Effizienz – Brennbarkeit“.

Alternativ zu den synthetischen Mischungen bieten sich – je nach Anwendungsbereich – natürliche Kältemittel wie Propan (R 290), Ammoniak (R 717), Kohlendioxid (R 744) und Wasser an. Hindernisse, diese Stoffe zu verwenden, sind jedoch ihre Brennbarkeit (R 290) und ihre Toxizität (R 717). Mit nennenswerten Effizienzsteigerungen sei durch diese alternativen Kältemittel jedoch nicht zu rechnen; manche Stoffe seien sogar im einstelligen Bereich schlechter als die Ausgangskältemittel.

Legionellenbekämpfung

Auch Prinzing sieht in den gesetzlichen Vorgaben zur Legionellenbekämpfung im Zusammenhang mit Zirkulationsleitungen, eine deutliche Einschränkung der Wärmepumpeneffizienz. Eine Betriebsweise mit konstant 60 °C und rein elektrischer Erwärmung von 50 auf 60°C reduziere den Wärmenutzungsgrad solcher Anlagen auf nur noch 2,5. Hintergrund sei die permanent höhere Rücklauftemperatur zur Wärmepumpe bei der Beladung des Warmwasserspeichers, die einer 20prozentigen Verminderung der JAZ gleichkomme.

Falls es aus hygienischen Gründen zu Temperaturvorgaben für das Trinkwarmwasser von 70 bis 80°C komme, wie zum Beispiel in den USA, werde ein Technologiesprung zu separat arbeitenden transkritischen CO₂-Wärmepumpenboilern erwartet. Nur so könnten bei TWE-Systemen in Mehrfamilienhäusern die heutigen Effizienzwerte erreicht werden.

Wärmequellen

Ein hohes Potenzial zur Effizienzsteigerung bieten Wärmequellen mit höheren Temperaturen. Dazu zählen Tunnelbauwerke, Schächte, Seewasser, kalte Fernwärme, Fernwärme-Rückläufe sowie Abwärme aus Abwasser und Wärme aus thermischen Solaranlagen. Gegenüber Erdwärmesonden-Wärmepumpen seien hierdurch Effizienzsteigerungen von 20 bis 25 Prozent möglich.

Je nach Temperaturniveau des Mediums könnten sogenannte Booster-Wärmepumpen beim jeweiligen Verbraucher die Temperatur erhöhen. Als Hürden erweisen sich allerdings die noch nicht vorhandene Wirtschaftlichkeit und die höheren Anforderungen an Planung und Installation.

Von sogenannten Smart-Grid-Ready-Funktionen (netzdienliche Betriebsweise) sei keine Effizienzverbesserung der eingebundenen Wärmepumpen zu erwarten, eher das Gegenteil. Gängige Lastverschiebungen zur Netzstabilisierung würden zu überhöhten Soll-Vorlauftemperaturen und ggf. zur Zuschaltung des Elektro-Heizstabes führen und damit die Effizienz der Wärmepumpen verschlechtern.

Als Herausforderung bei Mehrfamilienhäusern sehen die Autoren den Anspruch, jeden Mieter mit der gewünschten Wohnraum-Temperatur zufrieden zu stellen. Dies führe jedoch zu effizienzmindernden höheren Systemtemperaturen und zu längeren saisonalen Heizzeiten.

Für Niedrigenergie-Mehrfamilienhäuser könne man sich dezentrale Luft/Luft-Wärmepumpen in Kombination mit einer Wohnraumlüftung vorstellen, auch im Hinblick auf den zunehmenden Wunsch nach Klimatisierung der Wohnung im Sommer.

Eine andere Möglichkeit, die Gesamteffizienz einer Wärmepumpenanlage zu erhöhen, seien antriebslose Wärmeentzugssysteme mit geringem Hilfsstrombedarf.

Zum Beispiel können mit einer CO₂-Erdwärmesonde nach dem Heat-Pipe-Prinzip 0,5 bis 1,0 höhere Jahresarbeitszahlen erreicht werden. Die Gesamtenergieeffizienz ließe sich dadurch um 15 bis 20 Prozent steigern, so die Ergebnisse eines Forschungsprojekts am Institut für Energiesysteme.

Auf der Basis der unterschiedlichen technischen Entwicklungsmöglichkeiten auf dem Wärmepumpensektor in Kombination mit möglichst positiven politischen Rahmenbedingungen haben die Wissenschaftler ein Prognosetool entwickelt, das die Entwicklung der JAZ-Werte für Neubau, Sanierung und Altbau bis zum Jahr 2050 beleuchtet. Im günstigsten Fall (Neubau, Sole-Wärmepumpe mit 30 bis 35 °C Vorlauftemperatur) könne mit JAZ-Werten von 9,1 gerechnet werden. Im ungünstigsten Fall (Altbau, Luft/Wasser-Wärmepumpe, 50 bis 55 °C Vorlauftemperatur) seien allenfalls JAZ-Werte von 4,2 erreichbar.

Solution-Tool für Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern

Während sich in Deutschland die Wärmepumpe im Neubaubereich mit einem Anteil von rund 46% gegenüber Erdgas, Heizöl und Fernwärme immer stärker behauptet, zeigt sich bei näherer Betrachtung, dass es sich dabei in erster Linie um Wärmepumpenanlagen in Einfamilienhäusern handelt. Nach einer Recherche im Rahmen des IEA-Projekts Annex 50 „Heat Pumps in Multi-Family-Buildings for Space Heating and DHW“ werden aktuell jedoch nur etwa 20% der neu gebauten Mehrfamilienhäuser in A, DK, F, D, I, NL und CH mittels Wärmepumpe beheizt.

Die Gründe dafür seien vielfältig und reichen von hohen Kapitalkosten über einen Mangel an nutzbaren Wärmequellen in einer städtischen Umgebung bis hin zur fehlenden Marktverfügbarkeit von Wärmepumpen großer Leistung bei gleichzeitig hohen Heiztemperaturen (mindestens 65 °C). Hinzu komme die oft heterogene Eigentümerstruktur bei Wohnanlagen, was sich insbesondere auf die Entscheidungsfindung bei der energetischen Sanierung von bestehenden Gebäuden negativ auswirkt.

Bild 2: Annex 50-Fallstudie „Energie-Insel Petershagen“, bestehend aus sieben Mehrfamilien­häusern mit insgesamt 90 Wohnungen. Eingebaut sind sieben Sole/Wasser-Wärme­pumpen (Bosch); Warmwasser wird über dezentral in den Wohnungen installierten Frischwasserstationen erzeugt. 

Marek Miara, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Freiburg, und Obmann des IEA HPT Annex 50, hob hervor, dass der Arbeitskreis daran arbeite, aus den sehr zahlreichen Lösungsansätzen von Wärmepumpen im Mehrfamilienhaus fünf „Lösungsfamilien“ zu definieren. Diese Familien werden in einer Matrix mit Anwendungsfällen (Gebäudebestand, Neubau usw.) zusammengeführt, kurz charakterisiert und durch konkrete Praxisbeispiele ergänzt. Die aktuelle Systematik ist aufgegliedert in:

• Mehrfamilienhaus mit einer zentralen Wärmepumpenanlage für Heizen und Trinkwassererwärmung;
• Ein zentrales Wärmepumpen-System für eine Gruppe von Wohneinheiten,
• zum Beispiel für eine Etage;
• Je Wohneinheit eine separate Wärmepumpe für Heizen und Trinkwassererwärmung;
• Je Raum eine kleine Luft/Luft-Wärmepumpe, ohne Berücksichtigung der Trinkwassererwärmung.

Alle bereits erfassten Beispiele aus den Ländern A, DK, F, D, I, NL und CH werden in einer Datenbank gesammelt und über eine interaktive Karte zur Verfügung gestellt.

Ein Beispiel aus Deutschland ist das Projekt Energie-Insel Petershagen. Langfristiges Ziel ist die Entwicklung eines Tools auf der Basis einer interaktiven Lösungssuchmaschine.

Bild 3: Technikzentrale in der Netto-Null-Energiehaus-Siedlung „Herzo Base“ in Herzogenaurach. Durch ein Demand Side Management konnte der Eigenverbrauch an PV-Strom um 21 Prozent gesteigert werden. Allerdings ist der Verbrauch der regelungstechnischen Einrichtungen mit einem Anteil von 10 Prozent vergleichsweise hoch.

Netto-Nullenergiehäuser mit Wärmepumpe

Ab Januar 2021 gelten in der EU für alle Neubauten die Anforderungen eines Niedrigstenergiehauses oder Netto-Nullenergiegebäudes (nZEB, nearly Zero Energy Building). Die Definition der EU-Gebäuderichtlinie EPBD, Energy Performance Building Directive, besagt jedoch nur, dass es sich dabei um „sehr energieeffiziente Gebäude“ handelt, die den verbleibenden Energiebedarf möglichst verbrauchsnah durch erneuerbare Energie decken sollten. 

Da jeder EU-Mitgliedsstaat die Richtlinie unterschiedlich umsetzt, sind die nationalen Energiekennwerte nur bedingt vergleichbar. Unabhängig davon zeichnet sich ab, dass die EU-Vorgaben am ehesten durch eine Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe zu erreichen sind, bevorzugt mittels Speicherung der überschüssigen Energie aus der PV-Anlage in Batterien. Einen guten Überblick über die anlagentechnischen Varianten und nationalen Lösungen bietet das Forschungsprogramm IEA HPT Annex 49 „Auslegung und Integration von Wärmepumpen in Netto-Nullenergiegebäuden“. Das Projekt wird vom Institut für Energietechnik IET der Hochschule für Technik, Rapperswil (HSR) geleitet (Ansprechpartner Prof. Carsten Wemhöner).

Der deutsche Beitrag in Annex 49 ist das Projekt „Herzo Base“ in Herzogenaurach/Landkreis Erlangen-Höchstadt, das vom EnergieCampus der Technischen Hochschule Nürnberg wissenschaftlich betreut wurde. Die acht Einfamilienreihenhäuser (KfW 40-Standard) werden über zwei zentral angeordnete erdgekoppelte Wärmepumpen beheizt. Die Wärmeverteilung erfolgt unter Zwischenschaltung von zwei thermischen Speichern über ein Nahwärmenetz zu den einzelnen Fußboden-beheizten Häusern.

Um die Nachteile einer zentralen Warmwasserversorgung zu umgehen sind in den einzelnen Häusern 200 l-Warmwasserspeicher installiert, die über Booster-Wärmepumpen (Wärmequelle: Nahwärmenetz) beladen werden. Im Hinblick auf weiter steigende sommerliche Temperaturen besteht im Sommer die Option, den Fußboden über das Nahwärmenetz im Free-Cooling-Betrieb zu kühlen. Primärer Stromlieferant für die Wärmepumpen ist ein PV-Dach mit einer Leistung von 99 kWp und einem Jahresertrag von 66 MWh.

Die mit dem PV-Netz gekoppelten Batterien sind so dimensioniert, dass sich eine Plusenergiebilanz ergibt. Eine Besonderheit des Projektes bzw. Projektziel des Annex 49 ist die Optimierung des netzdienlichen Betriebs der Heizwärmepumpen mit Hilfe eines Demand Side Managements (DSM) und der Booster-Brauchwasser-Wärmepumpen in Abhängigkeit des Angebots an PV-Strom bzw. Strom aus der Batterie und aus dem Netz.

Folgende Regelstrategien wurden entwickelt:

• Bei ausreichend hohem PV-Ertrag während der Heizperiode wird die Temperatur der TWE-Speicher von 50°C auf 65°C erhöht und beide Heizspeicher auf 35°C geladen
• Bei Netz- oder Batteriebezug wird die TWE-Temperatur auf 50°C abgesenkt und nur noch ein Heizspeicher auf 35°C geladen. Gleichzeitig wird die Drehzahl der Wärmepumpen auf 40 Prozent zurückgefahren, das entspricht einem COP-Optimum

Im Vergleich zum Betrieb ohne DSM konnte so der Eigenverbrauch an PV-Strom um bis zu 21% erhöht, der Bezug von Batteriestrom um 10% und der Bezug von Netzstrom in den Wintermonaten um 11% gesenkt werden.

Weitere Ergebnisse, die sich aus dem Energiemonitoring ergeben haben:

• Die Jahresarbeitszahl der beiden Wärmepumpen betragen 5,4 und 6,0, mit Einbeziehung der Quellenpumpen 5,6;
• Die Booster-Wärmepumpen für die dezentrale Trinkwassererwärmung erreichen eine JAZ von 4,0;
• Umwälzpumpen sind mit 3 Prozent am Gesamtstromverbrauch beteiligt;

Der Energieverbrauch für das Gebäudemanagement ist mit einem Anteil von 10 Prozent am Gesamtstromverbrauch vergleichsweise hoch. Dezidiert weisen die Autoren der Studie darauf hin, dass mit wachsender Digitalisierung auf den Energieverbrauch der regelungstechnischen Einrichtungen geachtet werden müsse, da sonst die Energieeinsparungen wieder zunichte gemacht werden.

Akustischer Stresstest für Wärmepumpen

Nicht nur, dass Wärmepumpen gelegentlich ihre Nutzer nicht überzeugen, zusätzlich beschweren sich Nachbarn, dass die Aggregate zu laut seien. In Fachkreisen hat sich inzwischen die Erkenntnis durchgesetzt, dass manche Luft/Wasser-Wärmepumpen unter bestimmten Umgebungsverhältnissen besser nicht installiert werden sollten, da der Lärm bzw. die akustischen Emissionen das Verhältnis zur Nachbarschaft nachhaltig stören könnten.

Dabei geht es längst nicht mehr um rein statische dB-Werte, sondern um die eher dynamische Wechselbeziehung zwischen der Außeneinheit der Luft/Wasser-Wärmepumpe und den witterungsbedingten bzw. baulichen Eigenheiten. Darauf deutet das recht umfangreiche Forschungsprojekt „Akustische Optimierung von Wärmepumpen“ hin, das im „Annex 51“ des IEA HPT-Programms angesiedelt ist.

Ganz eindeutig ist dort beschrieben, dass die Marktakzeptanz von Luft/Wasser-Wärmepumpen zu einem großen Teil von deren akustischer Verträglichkeit abhängt und damit ein entscheidendes Wettbewerbskriterium darstellt.

Schwachpunkt von Luft / Wasser-Wärmepumpen ist laut Christoph Reichl, Technische Universität, Wien, der benötigte hohe Luftvolumenstrom am Verdampfer und die damit verbundenen Geräusche. Dies gelte besonders für den Betrieb von Luft / Wasser-Wärmepumpen in der Übergangszeit, da dann die Vereisung des Verdampfers zu einer Veränderung des Frequenzspektrums führt.

Aufgabe des IEA HPT Annex 51 ist es, einheitliche rechtliche und normative Rahmenbedingungen zur Bewertung akustischer Emissionen beim Betrieb von Luft/Wasser-Wärmepumpen festzulegen. Das gewonnene Know-how werde dann den Herstellern von Wärmepumpen und deren Komponenten, akustischen Beratern, Planern und Installateuren zur Verfügung gestellt.

Um nationale bzw. institutseigene Messverfahren vergleichen und damit auch die Produkte künftig nach einheitlichen Kriterien testen zu können, wurden drei Wärmepumpen (eine Luft / Wasser-Wärmepumpe, eine Abluft-Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung und eine Luft / Luft-Wärmepumpe) jeweils zu den teilnehmenden Instituten in Italien, Deutschland, Dänemark, Schweden, Frankreich und Österreich geschickt. Dabei zeigte sich, dass die in den unterschiedlichen Ländern gemessenen Frequenzspektren weitgehend identisch sind.

Bei der Luft / Wasser-Wärmepumpe ging es in erster Linie um die akustische Auswirkung der Vereisung bei verschiedenen Wärmeübertrager-Bauformen, um Montagedetails zusätzlicher Schalldämm-Maßnahmen, aber auch um Bauteiloptimierungen, Abtau-Strategien sowie die Optimierung der Ventilatordrehzahl. Rund 19 Maßnahmen zur Senkung der akustischen Emission sind in einem Bewertungskatalog aufgelistet, der Ende 2020 auf der Website https://heatpumpingtechnologies.org/ veröffentlicht werden soll.

Bild 4: Typisch für das neue Bürogebäude der 3-Plan Haustechnik AG, Winterthur, ist die vergleichsweise kleine Fensterfläche sowie der hohe Dämmstandard. In der Übergangszeit (ca. 6 Monate) halten sich die solaren Erträge, inneren Energiegewinne, Verluste über die Gebäudehülle, Lüftung und Nachtauskühlung die Waage. Nur noch etwa vier Monate wird geheizt und dank Freier Kühlung nur noch zwei Monate lang gekühlt.

Überdimensionierte Wärmepumpen durch Normauslegung

Wenn eine TGA-Ingenieurgesellschaft für sich selbst ein Bürogebäude plant und baut, sollte man davon ausgehen können, dass ein optimal abgestimmtes Heiz- und Klimatisierungskonzept entsteht. Doch die Vorgaben des Gesetzgebers zu immer höheren Gebäude-Dämmstandards hat auch für Profis seine Tücken, wie das Beispiel des neuen Bürogebäudes der 3-Plan Haustechnik AG in Winterthur/Schweiz zeigt.

Die grundlegende Idee der Konzeption des Bürogebäudes war, ein Gebäude- und Energiekonzept zu entwickeln, das an jedem beliebigen Ort in der Schweiz ­kostengünstig realisiert werden kann. Es sollte mit einer reversierbaren Wärmepumpe beheizt und gekühlt werden, allerdings ohne die teure Erschließung von Erdwärme, sei es mit Sonden oder über das Grundwasser. Das Pflichtenheft umfasste folgende Vorgaben:

• Fensteranteil 20 Prozent der Energie­bezugsfläche;
• Kompakte Bauweise, niedrige Gebäudehüllzahl;
• Gebäudehülle nach Minergie-P-Standard (Kennzahl 50 kWh/m2 x a, inklusive PV);
• Speichermassen in Decken und Wänden trotz Leichtbauweise;
• Intelligenter Sonnenschutz mit Tageslichtfunktion;
• Kippflügel für automatisierte Nachtauskühlung;
• Fensterflügel für individuelle Fensterlüftung (minimaler Luftwechsel über die Lüftungsanlage mit der Option eines manuell regelbaren Luftwechsels in den Besprechungsräumen);
• Automatisierte nächtliche Kernauskühlung über das Treppenhaus;
• Luft/Wasser-Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen, Kältemittel Propan, stufenlose Leistungsregelung von 15 bis 100 Prozent, separate Wärmeübertrager für den Heizfall / Kältefall.

Da zum Zeitpunkt der Realisierung eine solche Wärmepumpe – Leistungsdaten 62 kW im Heizfall, 55 kW im Kühlfall – nicht am Markt verfügbar war, wurde die Scheco AG, Winterthur, mit dem Bau der Wärmepumpe beauftragt. Im Hinblick auf eine kosteneffiziente wie auch energieeffiziente Lösung und einer einfachen, aber robusten Hydraulik entschieden sich die Planer für ein Zweileiter-Change-Over-System mit „aktiven“ Radiatoren zur Erhöhung der Leistungsabgabe mittels eingebauten Ventilatoren.

Aus Kostengründen wurde bewusst auf Heiz- und Kühldecken, thermisch aktivierte Bauteile oder Fußbodenheizung-/Kühlung verzichtet. Im praktischen Betrieb, unterstützt durch ein umfassendes Energiemonitoring-Programm, zeigte sich dann, dass der reale Heiz- bzw. Kühlbedarf von der Berechnungsnorm SIA 380 / 1 „Thermische Energie im Hochbau“ (Heizen) und SIA 2024 / 2015 „Raumnutzungsdaten für Energie- und Gebäudetechnik“ (Kühlen) signifikant abweicht. So wurden die Planungswerte im Heizfall um 14 Prozent und die im Kühlfall um den Faktor 11 unterschritten.

Konkret bedeutet das, dass der Heizenergieverbrauch um den Faktor 13 größer ist als der Kälteverbrauch, was dem allgemeinen Trend zu höherem Kühlbedarf in Bürogebäuden widerspricht. Igor Bosshard-Mojic, Hochschule für Technik, Rapperswil (HSR), der das Energiemonitoring betreut hat, führt diese Diskrepanz auf die hervorragende Funktion der Nachtauskühlung bei diesem Gebäude zurück.

Die großen Abweichungen des realen Betriebs von den Planungsdaten begründet Bosshard-Mojic außerdem damit, dass mit steigendem Dämmstandard (U-Wert Wand = 0,1 W/m2 x K) die Abhängigkeit des Heizbedarfs von der Außentemperatur abnimmt. 

Auch andere Untersuchungen in der Schweiz zum sogenannten Performance-Gap hätten gezeigt, dass gerade bei gut gedämmten Gebäuden die Abweichung zwischen Berechnung und realer Messung recht groß sein kann, trotz Verzicht auf Sicherheitszuschläge.

Für den Betrieb der Wärmepumpen hat diese nicht beabsichtigte Überdimensionierung einen negativen Einfluss. Auch die Rückkühler sind deutlich zu groß dimensioniert und verbrauchen somit im Verhältnis zur produzierten Heiz- und Kühlenergie zu viel an elektrischer Antriebsenergie. Letztere beeinflusst die ohnehin niedrigere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe ganz erheblich. Bezieht man die Rückkühler mit ein, liegt die JAZ bei 2,6 im Kühlbetrieb und bei 2,8 im Heizbetrieb. Ohne die überdimensionierten Nebenaggregate läge die JAZ im Heizfall bei 3,7, im Kühlfall bei 5,2, so die Berechnungen der Hochschule.

Zusätzlich beeinflusst wird die JAZ durch das optimierte Gebäudedesign und die Nachtauskühlung, da die Wärmepumpe nur noch bei sehr hohen bzw. sehr tiefen Außentemperaturen in Betrieb geht. Durch die Nachtauskühlung des Gebäudes beträgt die jährliche Betriebszeit der Wärmepumpe im Kühlbetrieb nur noch 192 h, geheizt wird an 3068 h (Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019). Der spezifische Kältebedarf im Sommer 2018 lag damit bei nur 1,0 kWh/m² x a, der Heizwärmebedarf witterungsbereinigt bei 13,9 kWh/m² x a.

Eine wichtige Funktion zur Einsparung von Heiz- und Kühlenergie ist der Change-Over-Betrieb mit einer klaren Trennung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb. Trotz minimalster Technik und breitem Komfortband der Raumtemperatur mit Werten von bis zu 26°C gab es laut Forschungsbericht keine Beanstandungen durch die Beschäftigten.

Was die umschaltbare Propan-Wärmepumpe anbelangt, hat sich das gewählte Aufstellungs- und Sicherheitskonzept (Außenaufstellung) als praktikabel und auf andere Kältemittel übertragbar erwiesen.

Fazit

Je größer das Gebäude und je höher der Wärmedämmstandard, desto anspruchsvoller ist die Planungsaufgabe bei einer Wärmepumpenanlage. Bei großen Wohngebäuden stellt sich zusätzlich die Frage, welche Art der Trinkwassererwärmung und Verteilung zum Gebäude bzw. dessen Bewohner passt.

Möglicherweise noch strengere Hygienevorschriften zur Vermeidung von Legionellen beeinflussen künftig ganz grundsätzlich die Auslegung und Konzeption einer Wärmepumpenanlage mit integrierter Trinkwassererwärmung. Mit dem Trend zu stark verdichteten urbanen Wohngebieten stellt sich gleich mehrfach die Frage, welche Arten von Wärmquellen langfristig Bestand haben werden. In der Schweiz löst man ­dieses Problem durch immer tiefere Erdwärmesonden.

Luft / Wasser-Wärmepumpen sollten bei dichter Bebauung wegen möglicher akustischer Emissionen mit Bedacht aus­gewählt werden.

Die Schweiz zeigt – über die rein technischen Fragen hinaus – dass mit günstigen politischen Rahmenbedingungen eine nachhaltige Konversion von den fossilen Energieträgern zu regenerativen Lösungen möglich ist. Das vom schweizerischen Bundesamt für Energie initiierte Forschungsprogramm „Wärmepumpen und Kältetechnik“ macht deutlich, dass die staatliche Unterstützung durch Forschungsprogramme die Marktdurchdringung der Wärmepumpe langfristig fördert und damit der Weg zur Wirtschaftlichkeit und zu ökologisch sinnvollen Lösungen ebnet.

Dieser Artikel von Wolfgang Schmidt ist zuerst erschienen in KK Ausgabe 10 / 2020. Wolfgang Schmid ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München.