“Effizienz verbessern, mehr rechnen, knapper auslegen“

Schmid: Herr Hubacher, vor knapp vier Jahren führten wir ein Interview über typische Probleme mit Wärmepumpengeräten und Wärmepumpenanlagen¹⁾. Sie nannten damals eine Reklamationsrate in der Schweiz von 0,3 bis 0,5 % bei einem damaligen Jahresabsatz von 20000 Anlagen. Das sind unter 100 Anlagen pro Jahr. Was hat sich seither bei der Qualität von Wärmepumpenanlagen in der Schweiz verändert?

Hubacher: Relativ wenig. Die Problemfälle sind mengenmäßig noch etwa gleich. Das ist für mich ein gutes Zeichen. Die Branche arbeitet vorwiegend gut, doch dies schreibe ich auch den intensiven Bestrebungen zur Verbesserung der Qualitätssicherung bei Wärmepumpen zu, die vom Bundesamt für Energie, BFE, und vor allem von der Fachvereinigung für Wärmepumpen Schweiz, FWS, und weiteren Organisationen unternommen werden. Schmid: Auf Tagungen und Kongressen wird die Schweiz – zusammen mit Ländern aus Skandinavien – als „reifes Wärmepumpenland“ bezeichnet. Deutschland scheint in punkto Wärmepumpe noch ein Schwellenland zu sein. Wie beurteilen Sie das aktuelle Qualitätsniveau bei Geräten und Installa­tionen in Deutschland? Hubacher: Ich hatte in den letzten Jahren etwas weniger Kontakte zu den deutschen Fachkollegen, doch aus meiner Sicht ist die Branche auch in Deutschland sehr gut aufgestellt. Inzwischen bekomme ich nur noch selten Anrufe aus Deutschland an die Adresse des Wärmepumpendoktors. Der Bundesverband Wärmepumpen, BWP, kooperiert recht eng mit dem FWS, sodass unsere Erfahrungen und Erkenntnisse sicher auch in Deutschland bekannt sind und in die Qualitätssicherung einfließen. Die Geräte sind ja ohnehin fast dieselben wie in der Schweiz. Leider werden Wärmepumpen zunehmend im Internet angeboten, ohne die notwendige Beratung. Endkunden vergleichen dann nur noch die günstigsten Angebote miteinander. Die spezifischen Auslegungs- und Rahmenbedingungen werden ignoriert. Damit sind dann Probleme bereits vorprogrammiert. Schmid: Wo liegen heute die Herausforde­rungen bei Wärmepumpengeräten, wo bei Wärmepumpenanlagen?Hubacher: Bei den Wärmepumpengeräten muss bei der Dimensionierung und Geräteauswahl noch genauer vorgegangen werden. Dies beginnt bereits bei der Bestimmung des Wärmeleistungsbedarfs. Besonders im Sanierungsbereich wird nach unseren Erfahrungen zu wenig genau recherchiert und gerechnet. Für die Berechnung des aktuellen Primärenergieverbrauchs auf der Basis von Heizöl, Erdgas, Holz oder Elektroenergie bei Elektrospeicherheizungen sollten entweder mehrere Jahresverbräuche ausgewertet oder ein genau bestimmter Jahresenergieverbrauch über die Heizgradtage normgerecht korrigiert werden.

Um einen möglichst genauen Nutzwärmebedarf für die Auslegung der Wärmepumpe ermitteln zu können, spielt aber auch das Alter und die Funktion des bestehenden Heizkessels sowie der Gebäudezustand und der Warmwasserkonsum eine Rolle. Aus einer ungenau bestimmten Heizleistung entsteht eine ganze Kette an Folgeabhängigkeiten, die sich negativ auf die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenanlage auswirken. Eine zu große Heizleistung führt beispielsweise bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpenanlage zu einem überdimensionierten Wärmepumpengerät mit einer ebenfalls überdimensionierten Erdwärmesondenanlage. Das Resultat sind höhere Investitionen und eine höhere Taktrate der Wärmepumpe und damit eine schlechtere Effizienz.

Ein typisches Problem bei Wärmepumpenanlagen ist die oft zu komplexe Hydraulik. Meine Empfehlung ist seit Jahren gleich: Je einfacher die Anlage, desto besser die Effizienz und die Betriebssicherheit. Oft werden Kombispeicher eingebaut, ohne dass ein Bedarf besteht. Kombispeicher lohnen sich nur, wenn eine Solarunterstützung gewünscht ist. Da viele Kombispeicher nicht sauber schichten und oftmals auch die Speicheranschlüsse nicht optimal platziert sind, ergibt sich im Kombispeicher eine Durchmischung der Warmwasserzone mit der Heizungszone. Viele dieser Anlagen arbeiten deshalb deutlich weniger effizient.

Schmid: Die Trinkwassererwärmung schmälert die Effizienz der Heizwärmepumpe. Ist es sinnvoll, das Warmwasser über ein separates Wärmepumpengerät aufzuheizen? In Japan scheinen die mit dem Kältemittel CO₂ arbeitenden EcoCute-Geräte sehr erfolgreich zu sein. Lassen sich die Erfahrungen in Japan auf Mitteleuropa übertragen? Hubacher: Es ist nicht ganz richtig, dass durch die Trinkwassererwärmung die Effizienz einer Wärmepumpenanlage stark beeinträchtigt wird, da der deutlich schlechtere COP nur am Ende des Ladebetriebs entsteht. Inzwischen kommen die separaten Warmwasser-Wärmepumpen auch in Europa vermehrt auf den Markt. Gerade im Sommerhalbjahr ist deren Effizienz dank der höheren Außentemperaturen gut. Das Kältemittel CO₂ eignet sich für die Trinkwassererwärmung sehr gut, da sich bei diesem Kältemittel ein größerer Temperaturhub positiv auf die Effizienz auswirkt. Schmid: Durch die Untersuchungen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme, ISE, Freiburg, sowie der lokalen Agenda 21, Gruppe Energie der Stadt Lahr, wird der Einsatz von Luft/Wasser-Wärmepumpen in unserer Klimazone kritischer gesehen. Woran liegt es, dass ihr Marktanteil dennoch zunimmt? Hubacher: Die Wärmepumpeneffizienz hängt sehr stark vom Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Wärmesenke beziehungsweise der Kondensator-Austrittstemperatur ab. Die durchschnittliche Wärmequellentemperatur ist bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe über die Heizsaison gerechnet aufgrund des saisonalen Außentemperaturverlaufs tiefer als bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe, deren Wärmequellentemperatur bei etwa 3 bis 5 °C liegt. Zudem verschlechtert das regelmäßige Abtauen des Verdampfers die Effizienz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Insgesamt ist der Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe komplexer und regeltechnisch aufwendiger.

Es ist richtig, dass im heutigen Markt die Luft/Wasser-Wärmepumpen von der Effizienz her gesehen deutlich schlechter dastehen. Aber der Markt verhält sich trotzdem anders. Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen sind um einiges günstiger in der Anschaffung. Auch kann man nicht überall eine Erdwärmesonde für eine Sole/Wasser-Wärmepumpe abteufen. Im Jahr 2012 wurden in der Schweiz rund 20 000 Wärmepumpen verkauft, davon über 60 % Luft/Wasser-Wärmepumpen. Das ist ein beachtlicher Anteil²⁾.

Schmid: Ist der Trend zur Luft/WasserWärmepumpe der richtige Weg? Wie schätzen Sie diese Entwicklung ein? Hubacher: Man muss diese Frage sowohl aus energiepolitischer als auch aus umweltpolitischer Sicht betrachten. Primärenergetisch gesehen ist die geringere Effizienz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3,0 bis 3,5 gar nicht mal so schlecht. Es ist immer noch besser eine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3,0 zu wählen als eine Öl- oder Gasheizung einzubauen. Die CO₂-Emissionen sind bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe deutlich niedriger. Wichtig ist auch, dass die Abhängigkeit eines Landes von Energieimporten damit verringert wird.

Gesamtwirtschaftlich betrachtet schneidet die Luft/Wasser-Wärmepumpe aufgrund der geringeren Investitionskosten praktisch genauso günstig wie eine Sole/Wasser-Wärmepumpe ab. Leider verläuft die Weiterentwicklung bei den Wärmepumpengeräten in den letzten Jahren eher etwas schleppend. Speziell bei den am Markt angebotenen Luft/Wasser-Wärmepumpen gibt es aktuell nur wenige Innovationen. Allerdings sehe ich neue Ansätze für die Effizienzsteigerung bei Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Inverter-Maschinen. Ziel ist eine Jahresarbeitszahl von mindestens 4,0. Bisher lag diese im Durchschnitt bei 2,6. Diese Effizienzverbesserung ist dringend notwendig, da in den Ländern, in denen Elektrizität mehrheitlich mit thermischen Kraftwerken erzeugt wird, zumindest eine Jahresarbeitszahl von 3,0 notwendig ist, um die CO₂-Bilanz nicht negativ zu beeinflussen. Dies gilt insbesondere für Deutschland.

Schmid: Welche Effizienzzuwächse sind bei Luft/Wasser-Wärmepumpen kurzfristig möglich? Hubacher: In den nächsten fünf Jahren könnte die Jahresarbeitszahl nach meinen Erkenntnissen auf 3,5 bis 4,0 gesteigert werden. Allerdings muss auch der Lärmschutz verbessert werden, denn wir benötigen leisere Wärmepumpengeräte. Damit hätten wir die wesentlichen Nachteile der Luft/Wasser-Wärmepumpe ausgeräumt. Nochmals: Die Luft/Wasser-Wärmepumpe hat nach wie vor ihre Marktberechtigung. Sie muss aber gezielter verbessert werden.Schmid: Sondenbohrungen sind teuer und je nach geologischem Untergrund – siehe Baden-Württemberg – nicht unproblematisch. Müssen wir künftig alternative Wärmequellen erschließen, beispielsweise kalte Fernwärme? Hubacher: Der erweiterte Einsatz von Wärmepumpen, speziell auch im Zusammenhang mit der Wärmequellenseite, ist unbestritten. Gerade eine kalte Wärmeverteilung hat große Vorteile. Hier stehen wir noch am Anfang einer Entwicklung. Ein kaltes Wärmeverteilnetz kann in einer gemischten Bebauung enorme Vorteile bringen. Wichtig ist, dass nicht nur Wärme aus dem Netz bezogen wird, sondern Kälte- und Klimaanlagen auch Wärme an das Netz abgeben. Durch die gleichzeitige Einspeisung von Wärme und Kälte entsteht bei richtiger Bewirtschaftung des Netzes für alle Teilnehmer eine Win-win-Situation, das heißt, die Effizienz der Wärmepumpenanlagen und die der Kälteanlagen ist höher als bei singulären Anlagen.

Auch bei Grundwasserzonen ist ein kaltes Verteilnetz sinnvoll und meist wirtschaftlicher als einzelne Grundwasserbrunnen. Hier kann mit einer zentralen Grundwasser-Brunnenanlage ein ganzes Quartier oder eine Einfamilien­haussiedlung mit kalter Nahwärme versorgt werden. Jedes Haus hat seine eigene Wärmepumpe und bezieht die Umweltwärme aus dem kalten Verteilnetz.

Schmid: Vermehrt werden auch die hybriden Heizsysteme, also Luft/Wasser-Wärmepumpe in Kombination mit einem klassischen Heizgerät angeboten. In welchen Fällen ist so eine Lösung sinnvoll? Hubacher: Ich kann mir solche Kombisysteme gut vorstellen. Bivalente Systeme gibt es ja schon länger. Die Frage ist, bei welcher Außentemperatur der konventionelle Wärmeerzeuger anstelle der Luft/Wasser-Wärmepumpe die Wärmeerzeugung übernimmt. Aus meiner Sicht muss die Luft/Wasser-Wärmepumpe unterhalb des Bivalenzpunkts des konventionellen Wärmeerzeugers weiterhin mitlaufen. Nur so kann der Anteil der umweltfreundlichen Wärmeerzeugung mit Wärmepumpe hochgehalten werden.

Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Kombinationslösung sehe ich jedoch nicht bei Kleinanlagen, sondern bei größeren Objekten mit mehr als 100 kW Heizleistung. Bei den Einfamilienhäusern empfehle ich, vor der Sanierung der Heizungsanlage die energetische Sanierung von Fenstern, Dach und Außenwänden vorzuziehen. Dadurch wird die erforderliche Heizleistung verringert. Bei Kleinanlagen halte ich eine hybride Lösung – sofern vom Bauherrn gewünscht – mit einer Solarthermie- oder Photovoltaik-Anlage für sinnvoll.

Schmid: Wie stark wird der Ausstieg aus den F-Gasen, also die Kältemittelfrage, den Markt für Wärmepumpen beeinflussen? Gibt es inzwischen genügend Alternativen bei den natürlichen Kältemitteln? Hubacher: Heute haben wir leider noch wenig Spielraum, wenn es um die Wahl des richtigen Kältemittels geht. Für die umweltneutralen Kältemittel stehen immer noch zu wenige Komponenten zur Verfügung. Gerade mit Propan, das eigentlich ein ideales Kältemittel für die Heizwärmepumpen wäre, gibt es immer noch Probleme, da die Kompressorenhersteller ihre Verdichter nur beschränkt dafür freigeben. Die Kompressorenhersteller müssen sich den noch offenen Fragen und Problemen stellen und ihre Komponenten weiterentwickeln.

Ammoniak, ebenfalls ein umweltneutrales Kältemittel, ist für Kleinanlagen nicht geeignet. Leider hat das Kältemittel CO₂ für den heiztechnischen Prozess eine schlechte Effizienz. Es ist jedoch für die Trinkwassererwärmung gut geeignet. Über einsatzfähige neue synthetische Kältemittel ist praktisch nichts bekannt, warum auch immer. Trotzdem sind wir guter Hoffnung, dass die Ablösung der fluorhaltigen Kältemittel der Umwelt zuliebe weiter voranschreitet.

Schmid: In Deutschland wird das Smart-Grid-ready-Label vom Bundesverband Wärmepumpen stark beworben. Allerdings fehlt es bisher an Geschäftsmodellen, um überschüssigen, preisgünstigen Strom aus erneuerbaren Energien zum Betrieb von Wärmepumpen zu nutzen. Wie schätzen Sie die Chancen ein, dass von den Energieversorgern zeitvariable Stromtarife für Wärmepumpen angeboten werden? Hubacher: Die Zukunft geht auf jeden Fall in diese Richtung. Wir müssen einerseits den Energieversorgern die Möglichkeit einräumen, Wärmepumpenanlagen so zu managen, dass die teuren und unnützen Stromspitzen kleiner werden und günstige Stromangebote sinnvoller genutzt werden können. Gerade die Wärmepumpe ist ein geeignetes Elektrogerät, das man nach den Lastbedürfnissen der Energieversorger und Netzbetreiber zu- und abschalten kann.

Es gibt allerdings zwei Bedingungen: Erstens, die tägliche Freigabe einer akzeptablen Stundenzahl und zweitens, die zusammenhängende Sperrung von nicht länger als maximal zwei Stunden pro Sperrung. In keinem Fall darf durch die Sperrzeiten der Komfort des Nutzers eingeschränkt werden. Aus dieser Sicht ist das Smart-Grid-ready-Label eine gute und wichtige Voraussetzung zur Stabilisierung des Netzes. Bezüglich der zeitvariablen Stromtarife sind wir noch am Anfang einer Entwicklung. Ich bin der Meinung, sobald die Stromverteilnetze entsprechend ausgebaut sind und die Kommunikation zwischen Energieversorgung und Gebäudetechnik funktioniert, werden Smart-Grid-ready-Wärmepumpen dem Markt einen zusätzlichen Impuls geben.

Schmid: Sie haben durch Ihre Tätigkeit einen guten Einblick in die kommenden Entwicklungen. Auf der Schweizerischen Fachtagung Wärmepumpen in Burgdorf im Juni 2013 war viel von Niederhub-Wärmepumpenanlagen und einer leistungsbezogenen Regelung nach der Außentemperatur mit Raumaufschaltung die Rede. Wann kommen diese Geräte auf den Markt? Hubacher: Es wird schon längere Zeit über solche Systeme gesprochen. Scheinbar gibt es nun an der Fachhochschule Luzern den Prototyp einer Niederhub-Anlage mit Turboverdichter, mit dem bereits Versuche gefahren werden. Um jedoch diese Geräte in der Praxis einzusetzen, braucht es schon noch einige Anstrengungen, wie beispielsweise die Lagerung von kleinen Turbinen, die ja mit sehr hohen Drehzahlen laufen.

Die Regelung eines Einfamilienhauses nach Außentemperatur mit zusätzlicher Raumtemperaturkompensation wird schon heute praktiziert. So viel mir bekannt ist, sind die meisten Regelfabrikate dafür konzipiert. Es ist mehr eine Frage der Planung, dass diese energetisch sinnvolle Ergänzung mit einer kostengünstigen Raumtemperatur-Erfassung auch realisiert wird.

Vielen Dank für das Gespräch. •

1) Wärmepumpendoktor Peter Hubacher: „Einfache Anlage, höhere Arbeitszahl“. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 01-2010, Webcode 266963

2) In Deutschland lag der Luft/Wasser-Wärmepumpen-Anteil 2012 bei rund 63 % (Webcode 391751), ein Jahr zuvor bei 57 %. ­Besonders zugelegt haben 2012 die Split-Systeme mit 15300 Anlagen (+23,4 %), bei den Monoblock-Systemen wuchs der Absatz um 8,9 % auf 22000 Anlagen.

Weitere Fachberichte zum Thema enthält das TGAdossier Wärmepumpe: Webcode 718

Peter Hubacher hat eine Grundausbildung im Elektrotechnikbereich und ist Dipl.-Ing. HTL/HLK (HTA-Luzern). Er ist Inhaber eines Ingenieurbüros für Energietechnik (Hubacher Engineering). Seine langjährige Tätigkeit und Erfahrung in der Konzeption und Planung von Heizungs- und Klimaanlagen, auch mit erneuerbarer Energie, speziell Wärmepumpen, die Forschungstätigkeit im Bereich Wärmepumpenanlagen für das Bundesamt für Energie (BFE) sowie als ­Experte für Analysen etc. kann er bei seinem ­Engagement bei der Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz FWS bestens nutzen. Dort ist er als Ressortleiter Qualitätssicherung und speziell als Anlaufstelle für Problemfälle von Wärmepumpen (Wärmepumpendoktor) tätig.

Wärmequelle

• Erdwärmesonden-Entzugsleistung 35 bis 40 W/m (Nach SIA-Norm 384/6)
• möglichst lange Erdwärmesonden (EWS)
• EWS richtig dimensionieren: DN 32 mm bis zu einer maximalen EWS-Länge von 150 m, DN 40 mm bis max. 250 m
• Abstand zwischen EWS 7,5 bis 10 m
• Sole/Wasser-Gemisch-Konzentration möglichst knapp wählen (Angaben der WP-Lieferanten liegen bei 25 %)
• möglichst Sole/Wasser-Fertigmischungen verwenden oder mit einem mechanischen Mischgerät (Dossiergerät) aufbereiten; auf gute Durchmischung achten
• wenn möglich, statt Sole/Wassergemisch reines Wasser wählen, dadurch deutlich höhere EWS-Effizienz erreichbar. Vorteil: dauerhaft niedrige Betriebskosten. Nachteil: längere EWS-Bohrung erforderlich ­(höhere Investitionskosten)

Wärmeerzeugung

• Umwälzpumpen mit maximalem Energieeffizienzindex (EEI) verwenden; Drehzahl sollte einstellbar oder regulierbar sein
• Kältemittel der Wärmepumpe auf die voraussichtliche Heizwassertemperatur abstimmen. R134a ist nur dann notwendig, wenn Heizwassertemperaturen über 60 °C erforderlich sind
• auf Speicher möglichst verzichten; Fußbodenheizung ist bestens als „Speicher“ geeignet; bei Radiatorsystemen wird ein Speicher zur Erhöhung des Wasserinhalts der Anlage empfohlen
• Anlagen möglichst monovalent betreiben; bivalente Kleinanlagen sind regelungstechnisch aufwendig und störanfällig
• witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung mit Raumtemperaturkompensation einsetzen (selbstadaptiv); nur die Wärme produzieren, die tatsächlich gebraucht wird
• unkontrolliertes Mitlaufen von Elektroheizstäben muss sicher verhindert werden
• Wärmepumpe bei Neubauprojekten und größeren Sanierungen eher knapp dimensionieren; bei Alt­bauten den Wärmebedarf sorgfältig nachrechnen
• auf hydraulisch komplexe Anlagen verzichten, da schwierig zu regeln
• Massenströme auf der Wärmequellen- und Heizungsseite richtig einstellen (mehrstufige oder regelbare Umwälzpumpen)
• Parameter für die Inbetriebnahme vorgeben (Heizkurve, Warmwasserladetemperatur, Ladezeitfenster, Massenströme)
• Inbetriebnahme-Parameter nach einer gewissen Zeit – möglichst während der Heizperiode – nochmals prüfen
• Anlage mit folgender Dokumentation ausstatten: Inbetriebnahmeprotokoll, Bedienungsanweisung, technische Datenblätter, Anlagenprinzipschema, Angaben über Erdwärmesonden (Anzahl, Länge, ­Dimension, Bohrbewilligung), Informationen über Störungsbehebung

Wärmeverteilung

• bei bestehenden Gebäuden zuerst Gebäudehülle energetisch verbessern, dann Wärmepumpe installieren
• bei Neuanlagen Fußbodenheizung auf maximal 30 °C Vorlauftemperatur auslegen. Bei bestehenden ­Gebäuden Zieltemperaturen zwischen 35 bis 45 °C anstreben. Auch punktuelle Verbesserungen des ­Wärmeschutzes in Erwägung ziehen
• bei Raumheizungsanlagen mit Einzelraumregelung Überströmventil oder Parallelspeicher einbauen

Trinkwassererwärmung

• Massenstrom für die Beladung des Trinkwassererwärmers genügend groß dimensionieren (ΔT ca. 5 K); genügend große interne Heizregister wählen, Richtgröße 0,4 m²/kW Heizleistung
• maximal zwei Ladefenster vorgeben (abends und nachts, damit der Speicher am Morgen aufgeladen ist)
• Nacherwärmung mittels Elektroheizstab für höhere Warmwassertemperaturen mit Ladezyklus der ­Wärmepumpe abstimmen; in jedem Fall muss vermieden werden, dass die elektrische Direktheizung die Vorerwärmung mit übernimmt.
• Vorschriften zur Sicherstellung der Warmwassertemperatur beachten (Legionellenschaltung)
• Thermosyphon am Speicher einbauen, damit keine unkontrollierte Zirkulation entsteht

* Diese Erkenntnisse resultieren zum Teil aus den Erfahrungen des IEA-Wärmepumpenprojekts Annex 37 „Demonstration of field measurements of heat pump systems in buildings – good examples with modern technology“ Projektteilnehmer sind Schweden, die Schweiz und Großbritannien. Die Laufzeit des Projekts endet im Herbst 2013. Projektteilnehmer aus der Schweiz sind Hubacher Engineering, Engelburg und Planair SA, La Sague.