Fast jeder zweite Neubau heizt inzwischen mit einer Wärmepumpe. Im Jahr 2019 entschieden sich 46 % der Gebäudeeigentümer für eine Wärmepumpe zur Bereitstellung von Heizwärme und Warmwasser. Hier sorgen sie effizient und damit ökologisch für Wärme.
Ob sie auch in älteren Wohngebäuden CO2-Emissionen einsparen, dazu lagen lange keine systematisch ermittelten Erkenntnisse vor. Für die Wärmewende ist dies jedoch zentral, denn ihr Erfolg hängt maßgeblich von der Sanierung des Gebäudebestands und dem Einsatz einer klimaschonenden Wärmebereitstellung ab.
Signifikante Vermeidung von CO2-Emissionen
Mit der Ungewissheit ist nun Schluss. Dr. Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE: „Die Wärmepumpen in unserem Forschungsprojekt liefern die gewünschte Wärme zuverlässig, es gab kaum Betriebsstörungen. Offensichtliche Fehler bei der Installation oder Parametrierung der Regler traten im Vergleich zu früheren Feldtests deutlich seltener auf. Dies ist auch auf den Zuwachs von Know-how bei Herstellern und Installateuren in den letzten zehn bis 15 Jahren zurückzuführen.“
Dennoch bestehe weiteres Verbesserungspotenzial, etwa durch weitere Qualitätssicherungsmaßnahmen bei Installation und Betrieb, unterstützt durch Möglichkeiten der Digitalisierung, ergänzt Miara.
Klimafreundlicher als fossile Heizungen sind die untersuchten Wärmepumpen auch. Im Jahr 2018 lagen die auf Basis der Messungen errechneten CO2-Emissionen der vermessenen Außenluft-Wärmepumpen um 19 bis 47 % niedriger als dies bei Wärmeversorgung der gleichen Gebäude mit Gas-Brennwertheizkesseln der Fall gewesen wäre. Bei den Erdreich-Wärmepumpen lagen die entsprechenden Werte sogar bei 39 bis 57 %.
Und durch den weiteren Zubau von Windkraft und Photovoltaik werden sich die CO2-Kennwerte für den Strom weiter verbessern, sodass die CO2-Emissionen weiter sinken werden. Infolgedessen sind selbst bei einem pessimistischen Ökostromausbauszenario mittelfristig Einsparungen von mehr als 50 % zu erwarten.
Jahresarbeitszahlen bis 4,7
Das Fraunhofer ISE konnte 41 Wärmepumpen mit gleichem Auswertzeitraum und einheitlicher Bilanzgrenze auswerten. Für den Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 hat das Institut 29 Außenluft-Wärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung analysiert. Die Anlagen erreichten Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8. Der Mittelwert lag bei 3,1. Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt.
Bei den zwölf Erdreich-Wärmepumpen ermittelten die Forscherinnen und Forscher JAZ zwischen 3,3 und 4,7 bei einem Mittelwert von 4,1. Bei den Erdwärmepumpen wurde ein negativer Ausreißer nicht berücksichtigt.
Heizkreistemperaturen geringer als erwartet
Die maximal zur Raumheizung erforderlichen Vorlauftemperaturen lagen für die 27 Außenluft-Wärmepumpen im Mittel bei knapp 44 °C Celsius, bei den elf Erdreich-Wärmepumpen waren es etwas über 45 °C (jeweils ohne Ausreißer).
„Im Bestandsgebäudebereich werden oft die erforderlichen Heizkreistemperaturen im Normauslegungspunkt diskutiert, also die Heizkreistemperaturen bei sehr geringen Außentemperaturen um – 12 bis – 16 °C“, so Miara. So kalte Tage treten jedoch nur äußerst selten auf.
„Ausschlaggebend für die Effizienz sind daher vor allem die erforderlichen Temperaturen, wenn am meisten geheizt wird, also bei Temperaturen knapp über 0 °C“, erklärt der Wärmepumpen-Experte. „Die seltenen Extreme fallen daher in der Jahresbilanz kaum ins Gewicht.“
Elektroheizstäbe waren selten in Betrieb
Die Energieverbräuche der Elektroheizstäbe, die bei besonders kalten Temperaturen die Wärmepumpe unterstützen, spielen bei den vermessenen Anlagen eine untergeordnete Rolle. Bezogen auf alle mit Elektroheizstab ausgestatteten Außenluft-Wärmepumpen (24 von 29) betrug der Anteil der Heizstabsarbeit 1,9 %.
Ein relevanter Heizstabbetrieb wurde lediglich infolge falscher Parametrierung, bei Defekten oder infolge von Legionellenvermeidung gemessen. Bei den Erdreich-Wärmepumpen nahmen nur zwei von zwölf Anlagen die Heizstäbe überhaupt in Betrieb.
Das Alter der Gebäude ist nicht entscheidend
Nichtsdestotrotz: Die Nutzung von Wärmepumpen im Gebäudebestand ist kein Selbstläufer. Miara: „Ein erfolgreicher Betrieb hängt nicht nur von der Qualität und Effizienz der Wärmepumpe ab, sondern vor allem auch von äußeren Faktoren. Dazu gehört vor allem das energetische Niveau des Gebäudes und das installierte Wärmeübergabesystem.“
Das Alter des Gebäudes ist nach den im Projekt erhobenen Daten nicht relevant. Auch ein Umstieg auf Flächenheizsysteme ist nicht zwangsläufig erforderlich, da die Ergebnisse zeigen, dass auch Heizkörper mit vergleichsweise geringen Temperaturen betrieben wurden.
Auf dem Markt werden inzwischen Heizkörper angeboten, die bei gleichem Platzbedarf wesentlich geringere Heizkreistemperaturen benötigen. „Der Gesamterfolg hängt von einer guten Planung und sorgfältigen Installation ab“, resümiert Miara. Heizungsinstallateuren und Planern komme daher eine zentrale Rolle zu.
Die im Projekt untersuchten Häuser sind zwischen 15 und 170 Jahre alt. Die vor der ersten Wärmeschutzverordnung 1979 errichteten Gebäude wurden in unterschiedlichem Ausmaß saniert, während die eher seltenen Sanierungsmaßnahmen bei den jüngeren Gebäuden kaum Einfluss auf die energetische Qualität der Gebäudehülle hatten. Der witterungsbereinigte spezifische Heizwärmeverbrauch aller Gebäude reicht von 50 bis 250 kWh/(m2 ∙ a).
Auch die Einbindung in intelligente Stromnetze untersucht
Das Fraunhofer ISE untersuchte in dem Projekt auch die Einbindung elektrischer Wärmepumpen in ein intelligentes Stromnetz. Im Fokus standen die Funktionalitäten des SG-Ready-Labels, das Smart-Grid-fähige Wärmepumpen kennzeichnet.
Simulationsrechnungen haben die Zweckmäßigkeit der intelligenten Ansteuerung bestätigt und für eine Poolgröße ab 250 Wärmepumpen eine reproduzierbare Laständerung nachgewiesen. Im Rahmen der Felduntersuchung von neun via SG-Ready angesteuerten Wärmepumpen konnten die technische Implementierung erprobt und die Einflüsse der smarten Regelansätze sowie der Eigenschaften der Anlagen auf die Lastverschiebung ermittelt werden.
Monitoring-Projekte am Fraunhofer ISE
Das Fraunhofer ISE untersucht seit dem Jahr 2000 Wärmepumpen. 2007 startete der erste von bislang fünf umfangreichen Feldtests. Partner des Fraunhofer ISE im Projekt WPsmart im Bestand waren die Wärmepumpenhersteller ait-deutschland, Bosch Thermotechnik, Glen Dimplex, Heliotherm, Weishaupt, Stiebel Eltron, Vaillant und Viessmann sowie die Energieversorger Elektrizitätswerke Mittelbaden, die Lechwerke und die Stadtwerke Stuttgart. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie förderte das Vorhaben finanziell (FKZ: 03ET1272A).
Die Ergebnisse des Abschlussberichts.
Neues Monitoring-Projekt angelaufen
Von 2020 bis 2022 wird das Institut noch einmal drei weitere Jahre Wärmepumpen-Know-how sammeln: Anfang des Jahres startete das neu Forschungsprojekt „WP-Qualitätssicherung im Bestand“. Unter der Leitung des Fraunhofer ISE findet mit vielen Partnern eine Feldmessung mit bis zu 100 Elektro-Wärmepumpen im Einfamilienhausbestand statt. Im Mittelpunkt steht die Qualitätssicherung für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb. ■
