Wärmepumpen: Welche Jahresarbeitszahlen sind realistisch?
Die Studie „Wärmepumpensysteme in Bestandsgebäuden“ (März 2024) im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA) beschreibt die technischen und wirtschaftlichen Vorteile, Folgen und Grenzen des breiten Wärmepumpeneinsatzes aus einzelwirtschaftlicher wie aus Energiesystem-Perspektive – ohne jeden Einzelfall abzubilden. Hierzu werden zunächst Wärmepumpensysteme in Bestandsgebäuden detailliert und zeitlich hoch aufgelöst simuliert, bevor Ableitungen und Politikempfehlungen formuliert werden. Zudem werden die Ergebnisse einer Endkundenumfrage veröffentlicht.
Der folgende Beitrag beleuchtet und zitiert nur einzelne Teile aus dieser Studie: Zunächst werden die wesentlichen Ergebnisse der Einzelgebäudebetrachtungen dargestellt. Anschließend gibt es zusammenfassende Empfehlungen, wie sich die mittlere Jahresarbeitszahl neuer Wärmepumpen in Bestandsgebäuden sicherstellen bzw. übertreffen lassen.
Wärmepumpen-Effizienz unter verschiedenen Bedingungen
Für die simulationsbasierte Analyse dieser Studie wurden neun Varianten für die Wärmepumpenbetrachtung ausgewählt: Acht Varianten beziehen sich auf ein Einfamilienhaus (126 m² Wohnfläche) und eine Variante auf ein kleines Mehrfamilienhaus (503 m² Wohnfläche).
Dabei liegt der Fokus auf dem Wärmepumpentyp und der jeweiligen Effizienz, sowie auf den Systemtemperaturen (Heizen und Trinkwarmwasser) und dem Trinkwarmwassersystem (Zirkulationssystem und Nachtabschaltung). Anhand der ausgewählten Varianten sollen die Einflüsse der genannten, wesentlichen Parameter auf die Jahresarbeitszahlen verdeutlicht werden.
Redaktionelle Hinweise:
- Sämtliche Basisdaten und alle wichtigen Kennwerte der simulationsbasierten Analyse sind nachfolgend nicht aufgeführt bzw. abgebildet – sie sind der Studie zu entnehmen.
- Die Nummerierungen der nachfolgenden, aus Studie entnommenen Abbildungen wurden nicht angepasst.
Die Jahresarbeitszahlen ergeben sich aus der Kombination der WP-Leistungszahlen (s. Abbildung 2 weiter unten) und den stündlichen Vorlauftemperaturen des Modells. Außerdem wird der Mehr-/Minderverbrauch bezogen auf den Gesamtendenergiebedarf gegenüber der Referenzvariante (V1_Ref) ausgewiesen. Ebenfalls dargestellt werden informativ die Jahresarbeitszahlen nach VDI 4650,44 die strukturell über den Werten der stundengenauen Berechnung liegen.
Variante 1: Simulation „EFH unter Standard-Bedingungen“
Die Ergebnisse zeigen, dass auch bei einer stundenfeinen Simulation eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von etwa 3,0 mit einer Standard-Luft-Wasser-Wärmepumpe unter Standardbedingungen im Bestand (Vorlauf-/Rücklauftemperatur: 55/45 °C) erreicht werden kann.
Die Varianten 2 und 3 verdeutlichen den Einfluss der Vorlauftemperatur auf die Effizienz, wenn das Wärmeübergabesystem (Heizkörper) bei sonst identischem Gebäude unterschiedlich dimensioniert wird.
Variante 2: Höhere Vorlauftemperatur
Sind die Heizkörper kleiner dimensioniert (geringere Wärmeabgabe), muss die Nenn-Vorlauftemperatur auf 70 °C angehoben werden, und die JAZ sinkt auf 2,4 ab (= 25 Prozent höherer Gesamt-Endenergiebedarf).
Variante 3: Niedrigere Vorlauftemperatur
Im Fall von Heizkörpern mit einer größeren Wärmeabgabe kann die Nenn-Vorlauftemperatur auf 45 °C abgesenkt werden, wodurch sich die JAZ auf 3,45 erhöht und den Endenergiebedarf um 12 Prozent reduziert.
Die Abbildung kann vereinfachend verwendet werden, um den Einfluss der Absenkung der Nenn-Systemtemperatur auf die Luft-WP-Jahresarbeitszahl für den Heizbetrieb abzuschätzen.
Varianten 4 und 5: höherer bzw. niedrigerer COP
Die Auswahl einer Wärmepumpe mit besserer Leistungszahl (COP) führt in Variante 4 zu einer Endenergiereduktion von ca. 9 Prozent, während eine Wärmepumpe mit Minimaleffizienz nach Ökodesign-Richtlinie (Variante 5) einen Mehrverbrauch von 24 Prozent aufweist.
Variante 6: Sole- statt Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Verwendung einer Sole-Wärmepumpe erreicht Einsparungen von 24 Prozent gegenüber der Referenzvariante. Für Sole-Wärmepumpen wurden keine Variationen der Vorlauftemperaturen und WP-Qualitäten untersucht. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die dabei zu erwartenden relativen Abweichungen gegenüber der Variante 6 in etwa gleicher Größenordnung wie die dargestellten Abweichungen der übrigen Luft-WP-Varianten gegenüber Referenzvariante 1 liegen würden
Variante 7: Trinkwarmwasser dauerhaft auf 60 °C
In dieser Variante wird das Trinkwarmwasser dauerhaft auf 60 °C (gegenüber 48 °C) erwärmt und über ein Zirkulationssystem im EFH bereitgestellt. Dies führt dazu, dass 15 Prozent mehr WP-Strom verbraucht wird.
Die Betriebsdauer und Temperatur eines Zirkulationssystems sollten spätestens bei der Installation einer Wärmepumpe nochmals daraufhin überprüft werden, ob sie auf das notwendige Minimum begrenzt sind.
Variante 8: energetische Sanierung
Die letzte EFH-Variante 8 beschreibt eine umfassende Sanierung von Außenwand und Fenstern des Gebäudes (auf UAW = 0,15 W/m²K; UFE = 0,80 W/m²K) bei gleichzeitiger Optimierung der Heiz-Systemtemperaturen auf 44/36 °C angenommen. Dadurch können insgesamt 58 Prozent der Gesamt-Endenergie eingespart werden. Ohne Optimierung der Systemtemperaturen lägen die Einsparungen bei 53 Prozent.
Variante 9: kleines Mehrfamilienhaus
Abschließend wird eine Variante 9 mit einem kleinen Mehrfamilienhaus betrachtet, das bei ähnlichen Randbedingungen wie die EFH-Referenzvariante nur eine Gesamt-JAZ von 2,7 (gegenüber 3,0) erreicht.
Die wesentlichen Unterschiede liegen im Trinkwarmwassersystem (TWW-System): wie in der TWW-Variante des Einfamilienhauses wird von einer konstanten Trinkwarmwassertemperatur von 60° C und einem Zirkulationssystem ausgegangen. Zusätzlich dazu wird aber auch, wie für Mehrfamilienhäuser üblich, keine Nachtabschaltung des Trinkwarmwasser eingestellt. Dementsprechend liegt die JAZ für die Trinkwassererwärmung in der MFH-Variante deutlich unterhalb der EFH-Referenzvariante (2,15 gegenüber 3,22, was - 33 Prozent entspricht).
Hinweis: Bei einer Kombination der betrachteten Luft-WP-Einzelvarianten kann deren Gesamtwirkung gegenüber der Referenzvariante V1_Ref durch Multiplikation unter Berücksichtigung der Einzelwirkungen abgeschätzt werden.
Wie lässt sich eine mittlere JAZ von 3,1 (zumindest) sicherstellen?
Die Verfasser der Untersuchung kommen zum Ergebnis, dass ihre Simulationsergebnisse zur Jahresarbeitszahl neuer Wärmepumpen in Bestandsgebäuden zu einer mittleren JAZ von 3,1 führen. Dieses Resultat würde „im Wesentlichen im Einklang“ mit den aktuellen Forschungsergebnissen aus den Vorhaben „WPSmart im Bestand“, „Durchbruch für die Wärmepumpe“ und „LowEx-Bestand Analyse“ stehen.
Um diese mittlere JAZ von 3,1 tatsächlich zu erreichen oder idealerweise noch zu überschreiten, sollten folgende Aspekte sichergestellt werden:
- Systemoptimierung: Einstellung der möglichst niedrigen Heizungs- und Warmwasser-Systemtemperaturen (idealerweise inkl. hydraulischem Abgleich).
- Sicherstellung einer fachgerechten Installation und eines (möglichst) fehlerfreien Betriebs.
- Vermehrter Einsatz von Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die systembedingt eine erheblich höhere Effizienz als Luft-Wasser-Wärmepumpen aufweisen. Werden diese in Kombination mit Flächenheizsystemen eingesetzt, besteht die Möglichkeit einer passiven Kühlung (ohne Wärmepumpeneinsatz). Im Falle der passiven Kühlung bei Erdsonden können diese durch die Regenerierung des Erdreichs i. d. R. kleiner dimensioniert werden, wodurch Investitionskosten eingespart werden.
- Verbesserung der Qualität von neu installierten Wärmepumpen, z.B. von hocheffizienten Kompaktluftwärmepumpen mit dem klima- und umweltfreundlichen Kältemittel Propan. Dafür müsste eine Durchdringung des Marktes mit preisgünstigeren Wärmepumpen mit geringerer Effizienz und konventionellen Kältemitteln vermieden werden.
- Verbesserung der gebäudebezogenen Rahmenbedingungen, z. B. (vorgezogene) energetische Sanierung oder die Nachrüstung von Niedertemperaturheizkörpern oder Flächenheizsystemen.
