Wie man die Jahresarbeitszahl erhöht

Um den Anteil erneuerbarer Energien bei der Raumheizung und Trinkwassererwärmung zu erhöhen, unterstützt der Staat unter anderem die Installation von „effizienten“ Wärmepumpen mit nicht zurückzahlbaren Investitionszuschüssen. Die rechtliche Grundlage ergibt sich aus dem Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (EEWärmeG¹⁾), die Konkretisierung erfolgt über das sogenannte Marktanreizprogramm (MAP²⁾) zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt.

Gemäß diesen Richtlinien werden Wärme­pumpen über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gefördert, wenn sie gute Jahresarbeitszahlen erreichen. Die Jahresarbeitszahl ist, außer bei Spezialanwendungen, mit dem Formalismus der VDI-Richtlinie 4650³⁾ rechnerisch nachzuweisen. Die für die Förderfähigkeit einer Investition nachzuweisenden Jahresarbeitszahlen für verschiedene Wärmequellen und Haustypen zeigt der Info-Kasten „MAP-Wärmepumpen-Förderung“.

Von Januar 2008 bis September 2009 sind beim BAFA mehr als 60000 Anträge zur Förderung einer Wärmepumpe eingereicht worden. Es könnten mehr sein. Denn kaum bekannt ist, dass es bei der Berechnung der Jahresarbeitszahl erhebliche Spielräume gibt. Beispielsweise durch eine günstigere Prognose der benötigten Heizwassertemperatur oder die Quellentemperatur.

Die für den Nachweis der Jahresarbeitszahl gemäß VDI 4650 benötigten Eingabewerte zeigt der VDI-4650-Rechner⁴⁾ (Bild 1). Teilweise sind sie nicht frei wählbar. Die Heizgrenztemperatur z.B. richtet sich nach dem Haustyp und beträgt im Altbau 15 °C. Prinzipiell können zwar auch ­geringere Heizgrenztemperaturen nachgewiesen werden, aber das ist förderstrategisch nicht ­sinnvoll, weil sich damit die Jahresarbeitszahl ­verschlechtert.

Durch geschickte Wahl der Randbedingungen ergeben sich sogar in dem scheinbar so einfach zu bedienenden Formalismus sehr verschiedene Ergebnisse. Einige Varianten werden an den folgenden Beispielen dargestellt. Ziel dieser Dar­legungen ist es nicht, die Sinnfälligkeit des Ergebnisses nach VDI 4650 zu erörtern, sondern die Vorschrift im Rahmen des zulässigen Spielraums anzuwenden.

Beispiel 1 Altbau

Zunächst soll ein Altbau mit einer Wärmepumpe ausgerüstet werden. Die Heizkurve ist momentan auf 70 °C Vorlauftemperatur bei – 12 °C Außentemperatur eingestellt. Häufig wird irrtümlich angenommen, dass diese Konfiguration nicht förderfähig sei (Tabelle 2, Spalte 1). Es mag beim Erstellen der Fördervorschrift bezweckt worden sein, ist aber tatsächlich nicht ausgeschlossen worden. In Abschnitt 10.2 der Förderrichtlinie steht eindeutig: „In Bestandsbauten ist eine Heizungsvorlauftemperatur von 55 °C und eine Heizgrenztemperatur von 15 °C anzusetzen, sofern nicht geringere Werte nachgewiesen werden.“

Danach darf die Berechnung also auch im betrachteten Fall mit 55 °C ausgeführt werden. Die Sole/Wasser-Wärmepumpe im betrachteten Beispiel (Tabelle 2, Spalte 2) ist darum mit einer Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 von 3,82 förderfähig. Rechenwert und Realität liegen allerdings weit auseinander: Der Bauherr sollte sich keinen Illu­sionen hingeben – die mit WP-OPT simulierte Jahresarbeitszahl beträgt unter Berücksichtigung aller relevanten Parameter nur 2,53. Trotzdem handelt es sich bei der Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3,82 um eine förderfähige Lösung, die der Staat mit bis zu 3000 Euro Basisförderung bezuschusst.

Beispiel 2 Altbau

Und was kann man tun, wenn der Kunde in demselben Altbau auf eine preiswerte Luft/ Wasser-Wärmepumpe besteht, die aber knapp die Zielstellung verfehlt? Im Beispiel 2 (Tabelle 2, Spalte 3) liegt die Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 (JAZ₄₆₅₀) mit 3,27 knapp unter den Förderbedingungen (JAZ mindestens 3,3).

Den Hinweis zur Optimierung findet man in der einzeln ausgewiesenen Jahresarbeitszahl für Raumheizung und Trinkwassererwärmung. Da die Berechnungsergebnisse hier eine höhere Jahresarbeitszahl für Trinkwarmwasser als für die Heizung ausweisen, bietet sich die Unterstellung eines überdurchschnittlichen Reinlichkeitsbedürfnisses der Nutzer an, um die geforderte Jahresarbeitszahl zu erreichen. Die Annahme, 25 % (statt zuvor 18 %) der erzeugten Wärme werden für die Trinkwassererwärmung genutzt, stellt mit einer JAZ₄₆₅₀ von 3,30 die Förderfähigkeit her (Tabelle 2, Spalte 4).

Beispiel 3 Altbau

Angenommen, der hohe Trinkwarmwasseranteil ist bei nur einem Nutzer schwer zu begründen, muss in eine andere Trickkiste gegriffen werden. Dazu kann die in diesem Beispiel zu geringe Jahresarbeitszahl für die Raumheizung über die Norm-Außentemperatur verbessert werden. Die Norm-Außentemperatur ist nämlich nicht nur eine vom Standort abhängige Größe, sondern hängt nach der DIN 12 831 Beiblatt 1 zusätzlich von der Gebäudezeitkonstanten ab. Entsprechend Tabelle 2 des Beiblatts darf die Außentemperatur um bis zu 4 K korrigiert werden. Damit wird die Speichermasse schwerer Gebäude berücksichtigt.

Mit der zulässigen Korrektur der Norm-Außentemperatur kann wieder Förderfähigkeit hergestellt werden. Die Abminderung der Norm-Außentemperatur von –14 °C auf –12 °C hebt für die Raumheizung die Jahresarbeitszahl von 3,21 auf 3,24 und damit die JAZ₄₆₅₀ auf förderfähige 3,30 (Tabelle 2, Spalte 6).

Beispiel 4 Altbau

Gesetzt den Fall, die Wärmepumpe kann gar nicht monovalent betrieben werden, sondern benötigt einen weiteren Energieerzeuger, ergeben sich bei der Bestimmung des Anteils des zweiten Energieerzeugers nach Tabelle 8 der VDI 4650 ­(einen Ausschnitt zeigt Tabelle 1) verblüffende ­Interpretationsstrategien. Denn man kann ent­weder den Bivalenzpunkt bestimmen und den ­Deckungsanteil in der Tabelle ablesen oder vom Leistungsanteil der Wärmepumpe bei NormAußentemperatur ausgehen. DIN V 4701-10⁶⁾ enthält eine ähnliche Tabelle. Dort muss jedoch immer der ungünstigste Fall verwendet werden. In VDI 4650-1 fehlt diese Klausel.

Bei einer Heizlast des Gebäudes von 14 kW und einer Leistung der Wärmepumpe bei Norm-Außentemperatur von 11 kW entspricht die Wärmepumpe mit über 78 % Leistungsanteil also der Anforderung nach Tabelle 8 und kann den Wärmebedarf damit nach VDI 4650 zu 100 % decken. Darauf kann man wirklich nur kommen, wenn man die einschlägigen Vorschriften sehr genau studiert.

Möglich sind bei der Berechnung also zwei Jahresarbeitszahlen: Bei dem berechneten Bivalenzpunkt von –2 °C (hierbei wurden ein Trinkwarmwasserbedarf von 200 l/Tag und Sperrzeiten berücksichtigt) wäre die Anlage mit einer Jahresarbeitszahl von 2,96 nicht mehr förderfähig. Wählt man als Ausgangspunkt jedoch den Leistungsanteil, muss kein Heizstab berücksichtigt werden und die Jahresarbeitszahl beträgt wie oben 3,3 (Tabelle 2, Spalte 8).

Beispiel 5 Neubau

Nun soll ein Neubau untersucht werden. Für die Wärmeerzeugung ist eine Luft/Wasser-Wärmepumpe geplant. Folgende Randbedingungen liegen der Berechnung zugrunde: Heizlast 6 kW, Nennleistung der Wärmepumpe 7,1 kW, bei Norm-Außentemperatur wird eine thermische Leistung von 4,7 kW erreicht. Bei korrekter Ermittlung des Bivalenzpunkts inklusive Trinkwassererwärmung und Sperrzeiten wäre die gewählte Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3,28 nicht förderfähig (Tabelle 2, Spalte 9). Erforderlich ist ein Wert von mindestens 3,5.

Bei einer Berechnung der Jahresarbeitszahl über den Leistungsanteil erbringt die Wärmepumpe aber 78 % der geforderten Leistung und damit nach Tabelle 8 VDI 4650 einen Deckungsanteil von 100 %. Das verbessert die JAZ₄₆₅₀ auf 3,56 und damit bis zur Förderfähigkeit (Tabelle 2, Spalte 10).

Beispiel 6 Neubau

Angenommen, der Neubau wird statt mit einer Fußbodenheizung über Heizkörper mit einer 50/40-°C-Auslegung beheizt. Dann erreicht die Wärmepumpe nur noch 64 % der Heizlast und damit nur noch 99 % der Deckung. Daraus resultiert eine Jahresarbeitszahl von 3,22, die Wärmepumpe ist also (so noch) nicht förderfähig.

Man könnte deshalb an Tagen unterhalb von –1 °C zusätzlich statt eines Heizstabes einen Holzofen nutzen. Hierbei ist es interessant, statt paralleler Betriebsweise teilparallele zu wählen. Damit wird nämlich laut VDI 4650 die Vorlauftemperatur aus dem Bivalenzpunkt zugrunde gelegt und nicht die höhere Vorlauftemperatur bei Norm-Außentemperatur. Mit diesem Kniff wäre die Förderfähigkeit mit einer JAZ₄₆₅₀ von 3,52 hergestellt (Tabelle 2, Spalte 12).

Beispiel 7

Gerade im Altbaubereich ist es dabei interessant, statt bivalent-paralleler Betriebsweise teilparallele zu verwenden, weil dann mit niedrigeren Heizwassertemperaturen gerechnet werden darf. Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe, die Vorlauftemperaturen von 55 °C schafft, liefert so bei paralleler Betriebsweise und 55 °C Vorlauftemperatur eine JAZ₄₆₅₀ von 3,89. Bei teilparalleler Betriebsweise und 56 °C steigt diese JAZ₄₆₅₀ auf 4,19 (Tabelle 2, Spalte 14).

Anwender der VDI 4650 dürfen das ruhig als paradox bezeichnen: Das Anheben der Vorlauftemperatur führt nach der Richtlinie zur teilparallelen Betriebsweise und damit zu einer besseren rechnerischen Jahresarbeitszahl. Dieser Trick gleicht bei monoenergetischen Anlagen allerdings einem Eigentor: Hier wird teilparallele Betriebsweise bestraft: Egal wie groß der Anteil der Wärmepumpe ist, den sie oberhalb des Bivalenzpunkts erbringt: Der Heizerfolg wird komplett dem Heizstab zugeschrieben. Es wird genauso wie bei alternativem Betrieb gerechnet. Parallele Betriebsweise erbringt daher eine JAZ₄₆₅₀ von 3,02, teilparallel beträgt sie nur 1,95 – auch, wenn die Wärmepumpe fast den gleichen Anteil wie im parallelen Betrieb erbringt und erst beim letzten Grad Vorlauftemperatur aussteigt.

Achtung: Bivalente und monoenergetische Betriebsweise werden in einigen Berechnungstools vermengt. Die Ergebnisse stimmen nicht überein, weil der Einsatz von Heizstäben dem Energieverbrauch zugeschlagen wird, der Anteil anderer ­Energieträger aber nicht.

Weitere rechnerische Schlupflöcher bestehen bei der Verwendung von separaten Kellerluft/Wasser-Wärmepumpen. Hier werden auch Geräte mit einer Jahresarbeitszahl von über 4,0 beworben.

Fazit

Die Berechnung der Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 kann bei gleichen Randbedingungen auch richtlinienkonform deutlich verschiedene ­Ergebnisse liefern. Allerdings sollte man nicht aus den Augen verlieren, dass trotz aller rechen­technischen Tricks am Ende die wirklichen Heiz­kosten zählen. Förderfähige und ­realistische Ergebnisse können weit auseinander liegen. Am Markt haben aber technische Werte und Förder­fähigkeit eine hohe Bedeutung. Für die Betrachtung dieser Möglichkeiten ist die Wärmepumpensoftware WP-OPT ( https://wp-opt.de/ ) mit einer Optimatorfunktion ausgestattet. So können Gestaltungsmöglichkeiten erkannt und genutzt werden sowie Wett­bewerbsangebote mit dem eigenen vergleichbar gemacht werden. Zum VDI-Formalismus und weiteren Wärmepumpenthemen bietet WPsoft als Entwickler und Anbieter von WP-OPT auch Schulungen an.

¹⁾ Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) vom 7. August 2008 (BGBl. I S. 1658), geändert (formal) durch Artikel 3 des Gesetzes zur Änderung der Förderung von Biokraftstoffen vom 15. Juli 2009 (BGBl. I S. 1804). Download auf https://www.juris.de/jportal/nav/index.jsp

²⁾ Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt. Download auf http://www.bafa.de

³⁾ VDI 4650 Blatt 1 Berechnungen von Wärmepumpen – Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektro-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung, März 2009

⁴⁾ Unter https://wp-opt.de//anleitung_vdi.pdf gibt es für den VDI-Formalismus kostenfrei eine Anleitung, in der Herstellerangaben sowie empfohlene, vorgeschriebene und frei wählbare Daten farbig gekennzeichnet sind.

⁵⁾ DIN EN 12831 Beiblatt 1 Heizsysteme in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Nationaler Anhang NA, Juli 2008

⁶⁾ DIN V 4701-10 Energetische Bewertung heiz- und raumluft­technischer Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung, August 2003

Zum Erlangen der Förderfähigkeit ist bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen eine Jahres­arbeitszahl von mindestens 4,0 bei Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen im Neubau bzw. mindestens 3,7 im Gebäudebestand, bei Luft/Wasser-Wärmepumpen von mindestens 3,5 im Neubau bzw. 3,3 im Gebäudebestand nach VDI 4650 nachzuweisen.

Im Gebäudebestand (Heizungsmodernisierung) wird die Installation einer Luft/Wasser-Wärmepumpe in Wohngebäuden mit 10 Euro/m² beheizter Wohnfläche und in Nichtwohngebäuden mit 10 Euro/m² beheizter Nutzfläche gefördert. Die Förderung beträgt bei Wohngebäuden höchstens 1500 Euro je Wohneinheit. Die Förderung ist bei Gebäuden mit mehr als zwei Wohneinheiten und bei Nichtwohngebäuden auf 10 % der nachgewiesenen Nettoinvestitionskosten begrenzt. Diese Basisförderung ­beträgt für alle anderen Wärmepumpen (Wärmequellen) in Wohngebäuden 20 Euro/m² Wohnfläche, in Nichtwohngebäuden 20 Euro/m² beheizter Nutzfläche. Die Förderung beträgt bei Wohngebäuden höchstens 3000 Euro je Wohneinheit. Bei Wohngebäuden mit mehr als zwei Wohneinheiten und bei Nichtwohngebäuden ist die Förderung auf 15 % der nachgewiesenen Nettoinvestitionskosten für die Wärmepumpenanlage begrenzt.

In neu errichteten Wohngebäuden, für die ein Bauantrag vor dem 1. Januar 2009 gestellt bzw. Bauanzeige erstattet wurde, beträgt die Förderung für Luft/Wasserwärmepumpen 5 Euro/m², jedoch höchstens 850 Euro je Wohneinheit und bei Wohngebäuden mit mehr als zwei Wohneinheiten und bei Nichtwohngebäuden maximal 10 % der nachgewiesenen Nettoinvestitionskosten. Diese Basisförderung beträgt für alle anderen Wärmepumpen 10 Euro/m², jedoch höchstens 2000 Euro je Wohneinheit und bei Wohngebäuden mit mehr als zwei Wohneinheiten und bei Nichtwohngebäuden maximal 10 % der nachgewiesenen Nettoinvestitionskosten. Die Basisförderung bei Anlagen in neu errichteten Gebäuden, für die ein Bauantrag nach dem 31. Dezember 2008 ­gestellt bzw. Bauanzeige errichtet wurde, liegt 25 % darunter, um den gleichen Prozentsatz sind auch die Fördergrenzen reduziert.

Neben der Basisförderung können unter bestimmten Bedingungen weitere Förderbausteine beantragt werden.

Paralleler Betrieb: Bis zu einer bestimmten Außentemperatur erzeugt allein die Wärmepumpe die notwendige Wärme. Bei niedrigeren Temperaturen schaltet sich der Wärmeerzeuger zu. Beide Wärmeerzeuger arbeiten parallel. Im Gegensatz zum alternativen Betrieb ist der Anteil der Wärmepumpe größer. Diese ­Betriebsweise ist für alle Heizsysteme bis zur maximalen Vorlauftemperatur der Wärmepumpe geeignet.

Teilparalleler Betrieb: Bis zu einer bestimmten Außentemperatur erzeugt allein die Wärmepumpe die notwendige Wärme. Sinkt die Temperatur unter diesen Wert, ­schaltet sich der zweite Wärmeerzeuger dazu. Reicht die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe nicht mehr aus, wird die Wärmepumpe ­abgeschaltet. Der zweite Wärmeerzeuger übernimmt die volle Heizlast.

Dipl.-Phys., WPsoft GbR Dresden, 01189 Dresden, Telefon (03 51) 4 24 67 12, info@wp-opt.de, https://wp-opt.de/