Bis 2050 Verdoppelung der Jahresarbeitszahl

Kompakt informieren

• Für den künftig europaweit geltenden Niedrigst­energiegebäude-Standard sind Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen prädestiniert.

• Der Markt hat darauf bisher kaum reagiert, speziell für Nahezu-Null-Energie-Gebäude optimierte Wärmepumpen-Heizsysteme sind derzeit noch nicht von der Stange zu haben.

• Damit der Einsatz von Wärmepumpen künftig nach der Verfügbarkeit von kostengünstigem bzw. selbst erzeugtem Strom erfolgen kann, ist ein ganzjährig hoher COP erforderlich.

• Ein hohes Effizienzpotenzial kann durch die Entwicklung von Niederhub-Temperatursystemen zum Heizen und Kühlen erschlossen werden.

Aktuell sind in der Schweiz mehr als 200000 Wärmepumpenanlagen installiert. Allein in den letzten fünf Jahren kamen jährlich rund 20000 Einheiten hinzu, Tendenz gleichbleibend stabil. Zum Vergleich: In Deutschland wurden 2012 nahezu 60000 Heizwärmepumpen und über 10000 Trinkwarmwasser-Wärmepumpen installiert. Der Bestand lag Ende 2012 bei etwa 500000 Anlagen. Umgerechnet auf die Einwohnerzahl (Deutschland etwa 80 Mio., Schweiz rund 8 Mio.) zählt Deutschland mit 6,25 Anlagen je 1000 Einwohner eher noch zu den Wärmepumpen-Schwellenländern; die Schweiz mit 15 Anlagen je 1000 Einwohner dagegen zu den „reifen“ Wärmepumpenländern. 

Wärmepumpen zur Stromspeicherung 

Die Wärmepumpe darf künftig nicht mehr ausschließlich als Ersatz für einen konventionellen Wärmeerzeuger angesehen werden, sondern als Teil eines Gesamtsystems mit Schnittstellen zum Gebäude, zum Wärmeverteilsystem, zum Stromnetz, zur Energieerzeugung (konventionell, Photovoltaik), zu unterschiedlichen saisonalen Wärmeangeboten und Wärmesenken, zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und zu verfahrenstechnischen Prozessen. 

Stephan Renz, Leiter Forschungsprogramm Wärmepumpen und Kälte des Bundesamtes für Energie, Bern, sieht im gebäudeinternen Abgleich von Temperaturangeboten aus thermischen Solaranlagen und dem Stromangebot aus Photovoltaik(PV)- und KWK-Anlagen im Zusammenhang mit der thermischen ­Speicherung zusätzliche Möglichkeiten, Wärmepumpen nach der Verfügbarkeit von preiswertem Netzstrom sowie KWK- bzw. PVStromangeboten „intelligent“ zu betreiben. Wärmepumpenanlagen und deren Peripherie ließen sich so zu einer Art Stromspeicher ­ausbauen. 

Vorrangiges Ziel sei deshalb die Entwicklung hocheffizienter Wärmepumpen, die nicht nur im Auslegungspunkt gute Ergebnisse liefern, sondern das ganze Jahr nahe am Optimum arbeiten. Renz nennt folgende technische Ziele für die künftigen Forschungsprojekte, die gleichermaßen für Wärmepumpen und Kälte­anlagen gelten: 

• Verbesserung des Gütegrades von heute etwa 50 % auf 65 bis 70 % durch die Reduk­tion der Kältemittelüberhitzung und ­Nutzung der Drosselenergie, insbesondere bei CO₂-Kältemaschinen

• Minimierung der Reibungseffekte und der Temperaturdifferenzen von Kältekreisläufen (Niederhub-Wärmepumpen/ -Kältemaschinen)

• bessere regelungstechnische Koordination der Angebots- und Nachfrageseite unter Einbeziehung von Speichertechnologien und Speicherstrategien

• Einbindung der Wärmepumpen in additive Energiesysteme (Solarthermie, PV-Strom, KWK-Anlagen, Speicher)

• Optimierung der Wärmepumpen für Hochtemperatursysteme (Temperaturniveau 80 bis 180 °C), um individuelle Wärme- und Abkühlprozesse zu unterstützen

• Entwicklung und Optimierung von Wärmepumpen und Kältemaschinen großer Leistung für Fernwärmesysteme und Prozesswärme/Prozesskälte

• Einbeziehung von vor- und nachgelagerten Energiesystemen (Strom-, Erdgas- und Fernwärmenetze)

• Verbesserung der nationalen und inter­nationalen Zusammenarbeit sowohl seitens der Hochschulen als auch der Industrie

Klimakälteanlage mit COP von 15

Bei Wärmepumpen für die Gebäudeheizung sind heute schon COP-Werte von 9 erreichbar, bei Gebäudekühlsystemen mit niedrigem Temperaturhub und optimierten Rückkühlsystemen sogar COP-Werte von 15. Diese Erkenntnisse stammen aus dem Forschungsprojekt „Verdoppelung der Jahresarbeitszahl von Klimakälteanlagen durch Ausnutzung eines kleinen Temperaturhubs“ des Bundesamtes für Energie aus dem Jahr 2006, die jetzt experimentell untersucht werden. 

Der Schlüssel zu hocheffizienten Wärmepumpen und Klimakälteanlagen ist nach Erkenntnissen von Prof. Dr. Beat Wellig, Hochschule Luzern, die konsequente Umsetzung von Niederhub-Temperatursystemen für Heizen und Kühlen. Standardgeräte arbeiten mit Temperaturhüben von 30 bis 60 K, obwohl beispielsweise zum Heizen mit einer Erdwärmesondenanlage ein Temperaturhub von rund 20 K ausreichen würde. Entsprechend optimierte Gebäudekühlsysteme kämen sogar mit 10 K Temperaturhub aus, so Wellig. 

Wärmepumpen und Klimakälteanlagen müssten deshalb in viel stärkerem Maße auf Niedertemperatur-Heizsysteme bzw. Hochtemperatur-Kühlsysteme abgestimmt werden. Dies erfordere jedoch neue Denkansätze sowohl bei der Auswahl der Komponenten als auch bei der Optimierung des Gesamtsystems. Dazu zählen der Kältemittel-Verdichter (keine Scroll-Verdichter!), die Dimensionierung des für solche Niederhub-Maschinen obligatorischen elektronischen Expansionsventils und die Wahl des Kältemittels. Ziel sei, die Druckverluste in den Kältemittelleitungen und Armaturen zu minimieren. Auch müssten Verdampfer und Kondensator genauer auf den Niederhub-Betrieb abgestimmt werden. 

Beim Bau einer Niederhub-Anlage mit Hubkolbenverdichter   Abb. 1  stellte sich im Rahmen des Forschungsprojekts heraus, dass derzeit keine geeigneten Kompressoren für den Betrieb mit kleinen Temperaturhüben und kleinen Druckverhältnissen am Markt verfügbar sind. Besser geeignet seien kleine Turboverdichter, da diese ölfrei arbeiten. Marktgängige Turboverdichter seien jedoch derzeit nur in Größen von über 150 kW Heizleistung verfügbar. 

Um die Entwicklung von Niederhub-Anlagen voranzutreiben, wurde in Zusammenarbeit mit der Celeroton AG, Zürich, und der ETH Zürich der Prototyp eines Radial-Turboverdichters (Kältemittel Butan, R600) mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 1,5 kW bei einer thermischen Leistung von etwa 10 kW realisiert  Abb. 1 . Experimentelle Untersuchungen zeigten, dass damit bislang „unerreichbar hohe Güte­grade“ möglich sind mit einem COP Heizen von 9,2 und einem Gütegrad von 59,6 %. Eine für Kühlen ausgelegte Anlage erreichte einen COP von 13,4 bei einem Gütegrad von 58,6 %. Für die hohe Energieeffizienz sind die Abstimmung des Geräts mit dem Heiz- bzw. Kühlsystem sowie die Optimierung der Hilfsaggregate entscheidend, so Wellig. Die Ergebnisse sind so überzeugend, dass die Entwicklung zusammen mit der BS2 AG, Schlieren-Zürich, fortgesetzt werden soll. 

Kältemittel: Wasser, CO₂, Propan, NH3 

Die Wärmepumpen- und Klimabranche kommt nicht umhin, sich mehr um den Einsatz von natürlichen Kältemitteln zu kümmern. So lautet das Resümee von Raphael Gerber, CTA AG, KlimaKälteWärme, Münsingen. Viele Hürden seien hausgemacht, Havarien bei Anlagen mit natürlichen Kältemitteln würden oftmals dramatisiert. Das größte Hemmnis beim Einsatz natürlicher Kältemittel sei der Ausbildungsstand von Planern und Kälteinstallateuren sowie die eingeschränkte Verfügbarkeit von Komponenten Abb. 2. 

Gegen die weitere Verwendung von synthetischen Kältemitteln spreche, so Gerber, das hohe Treibhauspotenzial, der Ozonabbau in der Erdatmosphäre durch fluorierte Kältemittel, die drohenden Verwendungsverbote sowie die Verteuerung durch Lenkungsabgaben, wie Steuern und Recyclinggebühren. Allerdings gebe es auch bei den natürlichen Stoffen kein Allerweltskältemittel, das alle Bereiche abdecke. Probleme, wie Brennbarkeit, hohe Drücke und Toxizität, seien nun mal Realität. 

Dennoch sieht Gerber bei den natürlichen Kältemitteln eher Chancen als Risiken, insbesondere unter den Gesichtspunkten Wirtschaftlichkeit, Verfügbarkeit, Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit. Im Fokus stehe auch das Kältemittel Wasser, da in diesem Bereich vielversprechende Entwicklungen mit Turboverdichtern in Gang gekommen seien. 

Auch dem Kältemittel CO₂ attestiert Gerber ein sehr hohes Entwicklungspotenzial. Bei gewerblichen Kälteanlagen mittlerer und großer Leistungen gelten CO₂-Anlagen in der Schweiz als Stand der Technik. Mehrere Hundert Anlagen seien hier bereits installiert. Europaweit seien – Stand Anfang 2012 – rund 1200 Lebensmittelmärkte mit transkritischen CO₂-Kälteanlagen in Betrieb. Auch hierzu leiste die Schweiz wichtige Entwicklungsarbeiten, beispielsweise mit einem CO₂-Erdwärmerohr, einer CO₂-Wärmepumpe, einem ölfrei arbeitenden Turboverdichter sowie der Integration einer Expansionsmaschine in ein CO₂-Kältesystem. Nicht zu übersehen sei die Erfolgsgeschichte der in Japan populären CO₂-Wärmepumpe EcoCute zur Trinkwassererwärmung. Mehr als 2 Mio. Einheiten davon sind weltweit bereits in Betrieb. 

Wichtig bei Kälteanlagen mit brennbaren Kohlenwasserstoffen als Kältemittel sei die Minimierung der Kältemittelfüllmenge, beispielsweise durch den Einsatz von Microchannel-Wärmeübertragern. Inzwischen gebe es weltweit mehrere Millionen Fahrzeuge, deren Klimaanlagen mit Kohlenwasserstoff gefüllt sind. Hinzu kämen etwa 500 Mio. Haushaltskühlgeräte mit Kohlenwasserstoffen als Kältemittel. Chinesische Hersteller wie Gree, Midea und Haier hätten Produktionslinien mit einer Kapazität von mehreren 100000 Kleinklimageräten pro Jahr bereits auf das Kältemittel Propan umgestellt. 

Unterhalb von 5 kg Kältemittel pro Gerät sei der sicherheitstechnische Aufwand bei brennbaren Kältemitteln gut beherrschbar. Allerdings müsse der kältetechnische Teil in einem belüfteten Gehäuse installiert sein. Bei Anlagen mit dem Kältemittel NH3 (Ammoniak) gäbe es bereits Aggregate, die mit einer Füllung von unter 0,1 kg pro kW Kälteleistung auskommen; es seien sogar spezifische Kältemittelfüllmengen unter 0,01 kg/kW Kälteleistung möglich, sagt Gerber. Damit könne NH3 auch in Bereichen eingesetzt werden, die für konventionelle NH3-Kältetechnik tabu sind, zum Beispiel in Hotels. Eine NH3-Kleinwärmepumpe sei in der Schweiz bereits in Entwicklung. 

Höhere Effizienz bei CO₂-Kälteanlagen 

Aufgrund der großen Nachfrage nach transkritischen CO₂-Kälteanlagen durch die schweizerischen Supermarkt- und Großhandelsketten mit Energieeffizienzsteigerungen von rund 30 % gegenüber konventionellen Kälteanlagen sind parallel dazu neue Anlagenkonzepte mit noch höheren Effizienzgraden entstanden. Als Stand der Technik gilt eine transkritische CO₂-Anlage mit Booster-Funktion als Ersatz für die heute noch üblichen Kaskaden-Kälteanlagen (Plus- und Minuskühlung) oder für die getrennt arbeitenden Anlagen für den Plus- und Minusbereich. Im Grundsatz handelt es sich bei der innovativen transkritischen CO₂-Kälteanlage um ein Aggregat mit zwei Verdichterstufen für die Plus- und Minuskühlung mit einer dreistufigen Entspannung mit Mitteldrucksammler und Flash-Gas-Bypass. Um die Energieeffizienz bei transkritischen CO₂-Kälteanlagen zu erhöhen, sind aus Sicht von Jonas Schönenberger, Frigo Consulting AG, Gümlingen, künftig folgende Anlagenkonzepte denkbar: 

• Drosselventil durch arbeitsleistende ­Expansionsmaschine (ECU) ersetzen. Durch die ECU kann ein Teil des Kältemittels erneut verdichtet werden

• Nutzung der Abwärme aus einer StandardKälteanlage zum Antrieb eines Adsorp­tionskälteaggregats. Die zusätzlich ­generierte Kälte wird dazu genutzt, das CO₂ nach dem Heißgaskühler weiter zu enthitzen. Dadurch steigt die Kälteleistung der CO₂-Kälteanlage bei gleichzeitiger Senkung des Hochdrucks. Alternativ kann die aus dem Kälteprozess generierte Kälte zur Klimatisierung genutzt werden

• Parallelverdichtung aus dem Mitteldruck-Sammler

• Reduzieren der Gaskühler-Austrittstemperatur durch eine ergänzende Wärmesenke, beispiels­weise Außenluft, Gebäude-Fortluft, Abwasser, Grundwasser, Flusswasser, Erdsonde oder Erd­register, ggf. gekoppelt mit einer Wärmepumpe

• Luft vor dem Eintritt in den Gaskühler ­adiabatisch kühlen

• Einsatz von Zwischenspeichern, die nachts mittels Freecooling regeneriert werden

• Enthitzung des CO₂-Kältekreislaufs durch ein externes Kälteaggregat, beispielsweise durch Klimakälteanlagen oder Ab-/Adsorp­tionskältemaschinen

• korrekte Fühlerplatzierung zur Minimierung der Regelabweichung

• Umpumpsysteme mit überfluteten ­Verdampfern, um auf eine Überhitzung des Kältemittels verzichten zu können

• Stromerzeugung aus der Abwärme von CO₂-Kälteanlagen

• Kälteanlagen nachts mit preisgünstigem Überschussstrom betreiben und Kälte ­zwischenspeichern

Derzeit werden die ersten Ergebnisse aus Feldprojekten durch die Frigo-Consulting AG ausgewertet und hinsichtlich Effizienzsteigerung, Marktpotenzial und Umsetzung gegenübergestellt. Konkrete Ergebnisse sollen bis Ende 2013 vorliegen. 

Lernen von den besten Wärmepumpen 

Woran liegt es, dass manche Wärmepumpenanlagen höchste Jahresarbeitszahlen (JAZ) erzielen, andere Anlagen dagegen energetisch total abfallen? Sicher ist, dass die Ursache in den wenigsten Fällen beim Wärmepumpengerät liegt, sondern im Zusammenspiel von Wärmepumpe, Wärmeverteilsystem und Gebäude. Kriterien für Best-Practice-Wärmepumpensysteme werden derzeit im Rahmen des IEA-Wärmepumpenprogramms Annex 37 festgelegt, international ausgearbeitet und demnächst als Best-Practice-Katalog mit Empfehlungen an die Fachbranche veröffentlicht. 

Im Rahmen des nationalen Projekts der Schweiz wurden zehn Wärmepumpenanlagen mit Erdwärmesonden, eine Anlage mit Erdkollektor und fünf Anlagen mit Außenluft als Wärmequelle analysiert. Die Luft/Wasser-Anlagen erreichten eine durchschnittliche JAZ von 3,45, die Sole/Wasser-Anlage eine JAZ von 4,87, gemessen ohne Trinkwassererwärmung (TWE). Mit TWE-Berücksichtigung liegt die JAZ bei den Sole/Wasser-Anlagen um 16,3 % und bei den Außenluft/Wasser-Anlagen um 7,3 % niedriger. Peter Hubacher, Hubacher Engineering, Engelburg, auch bekannt als Schweizer Wärmepumpendoktor, stellte bei seinen Messungen fest, dass selbst Best-Practice-Anlagen noch Potenzial für Verbesserungen haben Abb. 3. Typisch sei eine oftmals zu hohe Heiztemperatur, obwohl durch die energetische Qualität der Gebäudehülle niedrigere Vorlauftemperaturen möglich gewesen wären (siehe auch: Interview mit Peter Hubacher über Luft/Wasser-Wärmepumpen: „Effizienz verbessern, mehr rechnen, knapper auslegen“ mit 27 Empfehlungen für Bestanlagen in TGA 08-2013, Webcode 547025). 

Höhere JAZ durch Leistungsregelung 

Bei den vielen Erkenntnissen rund um die Entwicklung von Wärmepumpengeräten sowie bei der Dimensionierung und Anlagenkonzeption stellt sich dem Beobachter die Frage, warum viele dieser seit Langem bekannten Schwachstellen von der Industrie nur schleppend umgesetzt werden. So verdeutlichte das FAWA-Programm (Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen) des Bundesamtes für Energie aus den Jahren 1996 bis 2003, dass installierte Luft/Wasser-Wärmepumpen im Durchschnitt nur auf eine Jahresarbeitszahl von 2,6 kommen (gemessen ohne Speicher). Auch die im Jahr 2011 vorgestellte Studie des Fraunhofer-Instituts ISE, Freiburg, an ausgeführten Anlagen bestätigt mit einer durchschnittlichen JAZ von 2,95 (inklusive TWE) die offensichtlichen Know-how-Defizite bei der Dimensionierung, Montage und Regelung. 

Umso interessanter sind die Untersuchungen von Lukas Gasser, André Brun und Beat Wellig von der Hochschule Luzern über den JAZ-Zuwachs leistungsgeregelter Wärmepumpen, der bei Luft/Wasser-Wärmepumpen um 70 % (!) und bei Sole/Wasser-Wärmepumpen um 5 bis 10 % höher liegt als bei Ein/Aus-geregelten Wärmepumpengeräten. 

Das beachtliche Potenzial für Effizienz­steigerungen liegt nach Auffassung der Auto­ren verschiedener Studien in der intelligenten Verknüpfung drehzahlregelbarer Kälte­kompressoren, Ventilatoren und Pumpen. Vor­aussetzung sei allerdings, dass die Regelkurve die Diskrepanz zwischen der steigenden Heizleistung bei steigenden Heiztemperaturen und den diametral entgegengesetzten Wärmequellentemperaturen ausgleicht. Wegen der speziellen Charakteristika von Kompres­soren und Ventilatoren bei Teillast und Volllast bedarf es einer genauen Abstimmung der Komponenten für Luft/Wasser-Wärme­pumpen. 

Im Rahmen des Projektes „WEXA – Exergie-Analyse zur Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen“ stellte sich heraus, dass mit den heute zur Verfügung stehenden Komponenten eine kontinuierliche Leistungsregelung nur bis zu einer Außentemperatur von etwa 0 °C sinnvoll ist. Bei höheren Außentemperaturen bringt die Ein/Aus-Regelung bessere COP-Werte (siehe auch: Luft/Wasser-Wärmepumpen – Effizienter durch Leistungsregelung, TGA 10-2010).

Bei einem leistungsgeregelten Luft/Wasser-Wärmepumpen-Prototyp mit InverterScroll-Verdichter mit Kältemittel-Dampfeinspritzung wurden, bezogen auf eine Außentemperatur von –10 °C, folgende Jahresarbeitszahlen (inklusive Abtauenergie) gemessen: 

• Minergiegebäude: JAZ = 4,41 bei einem 30/25-°C-Heizsystem

• hochwertig sanierter Altbau: JAZ = 4,40 bei 41/35-°C-Heizsystem

• sanierter Altbau: JAZ = 3,79 bei 46/38-°C-Heizsystem

Gasser betonte mehrfach, dass bei sanierten Altbauten das Energieeinsparpotenzial leistungsgeregelter Luft/Wasser-Wärmepumpen besonders hoch sei. 

Wärmepumpen für Null-Energiehäuser

Ab 2021 müssen Neubauten laut EU-Gebäuderichtlinie2) den Standard „Nearly Zero Energy Building“ (NZEB) aufweisen. Das bedeutet, dass „Gebäude sich ganzjährig möglichst selbst mit Wärme sowie mit einem angemessenen Anteil Strom versorgen“, so die Definition der Konferenz der kantonalen Energie­direktoren (EnDK) der Schweiz. Obwohl es sich beim NZEB formal um ein Niedrigstenergiegebäude handelt, werde das EU-Ziel auch mit „Netto-Null-Energie-Gebäude“ interpretiert, so Prof. Dr. Carsten Wemhöner, Hochschule für Technik, Rapperswil. 

Wenngleich noch keine präzise Definition des Standards und der Systemgrenzen für die Netto-Null-Bewertung vorliege, zeichne sich ab, dass mit Einführung dieses Energiestandards die Wärmepumpe das dominante Heiz- und Kühlsystem sein wird. Eine Auswertung von 200 nach Minergie-A-Standard3) zertifizierten Gebäuden in der Schweiz – Minergie-Wärmekennzahl 0 kWh/(m2 a) – nach Heizsystemen ergab, dass 80 % der zertifizierten Häuser mit Wärmepumpen und PV-Modulen ausgerüstet sind. 

Im Rahmen des Wärmepumpenprogramms der Internationalen Energieagentur (IEA) soll nun im Projekt Annex 40 untersucht werden, welche Wärmepumpenlösung für Netto-Null-Energie-Gebäude in den teilnehmenden Ländern (Japan, Niederlande, Norwegen, Schweden, Schweiz und USA) schon eingesetzt und welche Anforderungen künftig an solche Systeme gestellt werden. Folgende Entwicklungspotenziale sind von den teilnehmenden Ländern bereits definiert: 

• Integration von Wärmepumpen mit solaren Technologien in die Gebäudehülle

• Systemauslegung unter den Randbedingungen der Netto-Null-Energie-Bilanz

• Regelungsverfahren im Zusammenspiel und der Optimierung des „Load Match“ (Charakteristik von Bedarf und Erzeugung)

• direkte elektrische Kopplung von Photo­voltaik und Wärmepumpe (denkbar ist beispielsweise eine Gleichstrom-KleinWärmepumpe)

• Leistungsbereich und Leistungsregelung von Wärmepumpen

• angepasster Temperaturhub

• Einsatz natürlicher Kältemittel

• effizienter Warmwasserbetrieb mit solarem Deckungsanteil

• Mehrquellensysteme zur Nutzung des saisonal am besten verfügbaren ­Quellentemperaturniveaus

Wie eine integrierte Wärmepumpen-Systemlösung künftig aussehen könnte, verdeutlicht eine vom US-amerikanischen Oak Ridge National Laboratory entwickelte Erdreich/Luft-Wärmepumpe mit integriertem Luftbehandlungsgerät, Wärmerückgewinnung, Luftentfeuchtung und Trinkwassererwärmung Abb. 4. Durch den Einsatz leistungsgeregelter Komponenten und die Integration mehrerer Funktionen könnten Einsparpotenziale von rund 50 % gegenüber der marktverfügbaren Standardtechnologie erreicht werden, so Wemhöner. 

Solar gestützte Wärmepumpensysteme 

„Speziell optimierte Wärmepumpen-Heizsysteme für Nahezu-Null-Energie-Gebäude sind am Markt derzeit noch nicht von der Stange zu haben.“ Jean Christophe Hadorn, Base Consultants S.A., Genf, und Leiter Schweiz des IEA-Programms Solar Heating and Cooling TASK 44 sowie des Heat Pump Program Annex 38 räumt ein, dass der Markt auf die künftigen Herausforderungen der EU-Gebäuderichtlinie praktisch noch nicht reagiert hat. Als Leitlinie für die Entwicklung von Wärmepumpensystemen für Nahezu-Null-Energie-Gebäude Abb. 5 im Leistungsbereich von 5 bis 20 kW Nennwärmeleistung definiert TASK 44/Annex 38 die folgenden vier Gattungen von Wärmepumpensystemen: 

• Das parallele Konzept: Wärmepumpe und Solarthermieanlagen arbeiten separat; beide Systeme sind über einen Wärme­speicher miteinander verbunden.

• Das serielle Konzept: Solarthermiekollek­toren liefern Wärme an den Verdampfer der Wärmepumpe. Genutzt wird sowohl die solare Strahlungswärme als auch die Umgebungswärme.

• Das regenerative Konzept: Im Sommer wird die Wärme aus der Solarthermieanlage in den Erdwärmespeicher (Erdwärmesonde, Erdwärmekollektor) ­eingespeichert. Dieses Konzept eignet sich besonders für Anlagen mit eher knapp ­bemessenen Erdwärmesonden. ­Damit ­lassen sich diese regenerieren und Energie (Quellentemperatur) auf Vorrat einspeichern.

• Das komplexe Konzept: Solare Wärme aus den Kollektoren wird in einem Pufferspeicher als primäre Wärmequelle für die Wärmepumpe zwischengespeichert. Dadurch steht der Wärmepumpe eine Wärmequelle mit vergleichsweise hohem Temperaturniveau zur Verfügung. Reicht die Temperatur nicht mehr aus, kann auf die Erdwärmesonde umgeschaltet werden.

Aktuell erfolgt im Rahmen des IEA-Programms die messtechnische Auswertung von 37 Anlagen. Alle Ergebnisse stehen Ende 2013 und das finale Handbuch 2014 zur Verfügung. Weitere Informationen unter: 

http://www.task44.iea-shc.org

Geringer COP trotz guter Komponenten 

Wie sehr es bei Solar-Wärmepumpenanlagen mit Kombispeichern auf hydraulische Details, Platzierung von Temperaturfühlern und Regelungsstrategien ankommt, verdeutlichen Unter­suchungen an der Hochschule für Technik, Rapperswil. Dr. Michel Haller und sein Team ­fanden aufgrund von Labormessungen Abb. 6 ­sowie Simulationsrechnungen heraus, dass bei einer Wärmepumpenanlage aus ein und denselben Komponenten – einmal mit ungünstiger Hydraulik und Regelungsstrategie und einmal mit optimalen Verknüpfungen – der Stromverbrauch um bis zu 47 % abweichen kann¸ das entspricht mehr als 1000 kWh/a. Entscheidend für eine hohe Anlageneffizienz seien 

• eine ausreichende Distanz zwischen dem Warmwassersensor und der Raum­wärmezone des Kombispeichers,

• eine klare Trennung der Speicherzonen „Trinkwassererwärmung“ und „Raumwärme“ sowie

• eine gute Speicherschaltung.

Zu den typischen Problemen in Kombispeichern zählt die Verfrachtung von Energie aus der Trinkwarmwasserzone mit etwa 50 °C in die Heizzone mit etwa 35 °C. Dadurch müsse die Wärmepumpe unnötig hohe Temperaturen aufbringen, die zu einem schlechteren COP führen, so Haller. Seine Empfehlungen: 

• der Abstand des Temperatursensors ­Warmwasserzone zur Raumwärmezone soll mindestens 20 cm betragen; Schichtungsverhalten des Kombispeichers beachten

• Speicheranschluss des Rücklaufs zur ­Wärmepumpe im Warmwasserbetrieb ­oberhalb der Raumwärmezone ansetzen; prüfen, ob es nicht sinnvoller ist, den ­Speicher bei Betrieb der Wärmepumpe im Raumwärmemodus ganz zu umgehen

• hohe Fließgeschwindigkeiten durch ­Beladevolumenströme vermeiden

• bei modulierenden Wärmepumpen und Raumheizsystemen mit garantiertem ­ Mindestdurchfluss sollte der Speicher ­hydraulisch umfahren und nur bei der ­Nutzung von Solarwärme oder zur Verlängerung der WärmepumpenLaufzeiten aktiviert werden

PVT-Kollektor plus Wärmepumpe 

Die künftigen Null- oder Plus-Energiehäuser werden unzweifelhaft durch eine Kombina­tion aus Wärmepumpe, Solarthermie, Photovoltaik und gegebenenfalls auch Eisspeicher, Erdwärmesonden oder Erdregister temperiert. Welches Systemkonzept für welchen Gebäudedämmstandard geeignet ist, wurde im Rahmen des Projekts SOFOWA (Kombination von Solarthermie, Fotovoltaik und Wärmepumpen) an der Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut Energie am Bau, Muttenz, von Prof. Dr. Thomas Afjei und Team simuliert. 

Untersucht wurden sechs Wärmeversorgungssysteme mit solarer Wärme- und Stromversorgung. Das Vergleichsobjekt ist ein Einfamilienhaus in den drei Dämmklassen 15, 45 und 100 kWh/(m2 a). Folgende Varianten wurden ­untersucht: 

• System 1 (Referenz): Luft/WasserWärmepumpe, PV-Anlage mit 50 m²

• System 2: Luft/Wasser-Wärmepumpe, 8 m² Solarthermiekollektoren, Kombispeicher, PV-Anlage mit 42 m²

• System 3: Luft/Wasser-Wärmepumpe, 50 m² Solarthermiekollektoren, 10 m³ große Pufferspeicher, keine PV-Anlage

• System 4: Wasser/Wasser-Wärmepumpe, 50 m² Solarmodule für die kombinierte Strom- und Wärmeerzeugung (PVT-Module), warmer Pufferspeicher mit 4 m³ für die ­direkte Nutzung der Solarwärme, kalter ­Pufferspeicher (600 l) als Wärmequelle für die Wasser/Wasser-Wärmepumpe

• System 5: wie System 4, jedoch mit unverglasten Kunststoffabsorbern, keine PV-Anlage

• System 6: wie System 5, jedoch mit selektiv beschichteten unverglasten ­Kissenabsorbern

Aus den detailliert vorliegenden Ergebnissen zieht Afjei folgende Schlussfolgerungen: 

• eine parallele Wärmeerzeugung mit ­solarthermischen Kollektoren und einer Wärmepumpe kann den Strombedarf der Wärmepumpe bei steigendem solarthermischem Anteil minimieren; das System lässt sich effizient und technisch robust umsetzen

• die Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik ist technisch einfach und flexibel umsetzbar; der Strombezug aus dem Netz lässt sich bei optimierter PV-Stromnutzung deutlich senken

• die Kombination Wärmepumpe und PVT-Kollektor (Abb. 5) erzielt den höchsten Energieertrag pro m² Kollektorfläche; ­gegenüber einer rein solarthermischen ­Systemlösung wird ein zusätzlicher sommerlicher PV-Stromüberschuss erzielt

Eine Simulationsrechnung mit einem Solar-Eis-System Abb. 7, nicht abgedeckten Absorbern und Sole/Wasser-Wärmepumpe für die vorgenannten Dämmklassen 15/45/100 kWh/(m2 a), ergab folgendes Bild: 

• das Solar-Eis-System eignet sich nicht für Ein- und Zweifamilienhäuser mit sehr niedrigem Heizwärmebedarf. Das mag auch daran liegen, dass es derzeit noch kein „passendes“ Wärmepumpengerät gibt. Die simulierte 6-kW-Wärmepumpe war um den Faktor 2 bis 3 zu groß (JAZ = 3,73); auch der Hilfsenergieanteil für Pumpen war vergleichsweise hoch

• die höchste Jahresarbeitszahl wurde für das Gebäude mit dem spezifischen ­Heizwärmebedarf von 45 kWh/(m² a) erzielt (JAZ = 4,23)

• bei Gebäuden mit 100 kWh/(m² a) Heiz­wärmebedarf führte eine höhere Vorlauftemperatur (Annahme Bestandsgebäude) zu einer Verschlechterung der Jahres­arbeitszahl (JAZ = 4,02)

Fazit 

Wärmepumpen spielen bei der Umsetzung der Energiewende eine maßgebliche Rolle. Forschungsprojekte in der Schweiz deuten darauf hin, dass noch signifikante Effizienzreserven bei Wärmepumpen vorhanden sind, insbesondere bei Luft/Wasser-Wärmepumpen. Mit dem Umbau der Stromnetze ergeben sich wirtschaftlich interessante Schnittstellen zum öffentlichen Netz, aber auch zu Photovoltaik-Anlagen, die einen „intelligenten“ Betrieb der Wärmepumpe zulassen. Mit der Einführung von Nahezu-Null-Energie-Gebäuden bedarf es neuer Wärmepumpengeräte kleiner Leistung, die solarthermische, photovoltaische und geothermische Energieangebote gleichermaßen nutzen können. Wesentliche Effizienzverbesserungen bei Wärmepumpen sind durch die Einführung von leistungsgeregelten Niederhub-Wärmepumpen sowie von Mini-Turboverdichtern zu erwarten.

Auf der Kältemittelseite gewinnen die natürlichen Stoffe weiter an Bedeutung, zumal der Wechsel von synthetischen zu natürlichen Kältemitteln meist auch mit einem Effi­zienzzuwachs verbunden ist. Wichtig bei künf­tigen Wärmepumpenkonzepten ist die Mini­mierung der Kältemittelfüllmenge, egal ob es sich um synthetische (Kostensteigerung) oder natürliche Kältemittel (Sicherheitsaspekt) handelt. Als sogenanntes „reifes Wärmepumpenland“ nimmt die Schweiz bei der Entwicklung innovativer Wärmepumpen- und Kälteanlagenkonzepte eine Führungsrolle ein. Die Best-Practice-Initiative der Schweizer hat deshalb auch für deutsche TGA-Planer, SHK-Fachbe­triebe, Kältefachfirmen und HLK-Anlagenbauer eine Vorbildfunktion.

1) Für die Energiestrategie 2050 (Vorentwurf) wurde die Vernehm­lassung – eine Phase im Gesetzgebungsverfahren der Schweiz, bei der die Kantone, die politischen Parteien und die interessierten Kreise (insbesondere Verbände) vom Bundesrat zur Stellungnahme eingeladen werden – am 31. Januar 2012 beendet. Die Stellungnahmen werden seit dem vom Bundesamt für Energie ausgewertet, um die Vorlage ­entsprechend zu bereinigen. Der Bundesrat wird die Botschaft ans ­Parlament voraussichtlich im September 2013 verabschieden. https://www.bfe.admin.ch/bfe/de/home/politik/energiestrategie-2050.html

2) Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (Neufassung). Gebräuchliche Kurzformen: EPBD und EU-Gebäuderichtlinie. Zugehörige Downloads aus dem Amtsblatt der EU: Webcode 296893 

3) Der Minergie-Standard ist in der Schweiz ein freiwilliger Bau­standard, der für den rationellen Energieeinsatz und die breite Nutzung erneuerbarer Energien bei gleichzeitiger Verbesserung der Lebens­qualität, Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit und Senkung der Umweltbelastung entwickelt worden ist. Es müssen dabei Primäranforderung an die Gebäudehülle, ein ganzjährig kontrollierbarer Luftwechsel, ein Minergie-Grenzwert (gewichtete Energiekennzahl), ein Nachweis über den thermischen Komfort im Sommer, Zusatzanforderungen (je nach ­Gebäudekategorie für Beleuchtung, gewerbliche Kälte und Wärme­erzeugung) sowie eine Begrenzung der Mehrkosten gegenüber konventionellen Vergleichsobjekten auf maximal 10 % eingehalten werden. Der A-Standard geht noch einen Schritt weiter als die EU-Gebäudericht­linie mit dem Niedrigstenergiegebäude, indem eine gänzliche Deckung des Restbedarfs durch erneuerbare Energien Teil der Anforderungen ist. 

http://www.minergie.ch

Weitere Fachberichte zum Thema enthält das TGAdossier Wärmepumpe

 

Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren

TGA-Planer: Aus guten Komponenten entsteht noch lange keine gute Wärmepumpenanlage. Eine ungünstige Hydraulik oder Regelstrategie kann die Jahresarbeitszahl deutlich verschlechtern. Besonders anfällig sind komplexe Anlagenkonzepte und ungeeignete Kombispeicher. 

Anlagenbauer: Sämtliche Felduntersuchungen belegen, dass die Energieeffizienz von Wärmepumpenanlagen in der Praxis unter den Möglichkeiten der installierten Technik bleibt. Eine Nachoptimierung auf der Basis eines Monitorings und der Sollvorgaben ist dringend geboten. Auch Best-Practice-Anlagen haben meistens noch Potenzial für Verbesserungen. 

Bauherren: Wärmepumpensysteme gelten zwar als weitgehend wartungsfrei, für ihren wirtschaftlichen Betrieb sind jedoch neben einer optimale Planung und Ausführung die Effizienzkontrolle und eine Nachoptimierung erforderlich. Besonders wichtig ist ein Wärmeübergabesystem, das mit möglichst geringer Vorlauftemperatur auskommt und die Sollvorlauftemperatur automatisch und möglichst vorausschauend an den tatsächlichen Bedarf anpassen kann. 

 

Wolfgang Schmid 

ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de