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Abb. 20 Vermessung einer Wärmepumpe im Rahmen des Projektes "WP-Effizienz"
© FhG-ISE

Abb. 21 Gegenüberstellung der Monitoringprojekte
© FhG-ISE

Abb. 22 Durchschnittliche Arbeitszahlen (AZ) aller Anlagen.
© FhG-ISE

Abb. 23 Schema einer Luft/Wasser-Wärmepumpe
© Bundesverband Wärmepumpe e. V., Berlin

Abb. 24 Schema einer Erdreich/Wasser-Wärmepumpe
© Bundesverband Wärmepumpe e. V., Berlin

Abb. 25 Bandbreiten der im Feldtest ermittelten Arbeitszahlen von Erdreich- und Außenluft-Wärmepumpen in Neu- und Altbauten.
© FhG-ISE

Abb. 26 Installierte Messtechnik
© FhG-ISE

Abb. 27 Teststand
© FhG-ISE

Abb. 28 Online-Visualisierung von Betriebsdaten
© FhG-ISE
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Effizienz unter realen Bedingungen

In drei breit angelegten Monitoringprojekten untersuchte das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme die Effizienz von elektrisch angetriebenen Wärmepumpensystemen zur -Raumheizung und Warmwasserbereitung im Altbau und Neubau. Bei diesen Felduntersuchungen wurde jeweils nicht nur die im realen Betrieb erreichte Effizienz ermittelt, sondern auch die Betriebsbedingungen untersucht und das Systemverhalten analysiert. Dies diente der Bewertung der jeweiligen Anlage und der Ermittlung von Optimierungspotenzialen.

Die Monitoringprojekte basieren auf der Erfassung der Wärmemengen und elektrischen Energien sowie der Volumenströme und Temperaturen mit einer minütlichen Auflösung sowie der täglichen Datenfernabfrage, Speicherung und Auswertung am Institut. Die erzeugte thermische Energie wird direkt nach der Wärmepumpe bilanziert – getrennt für die Raumheizung und Brauchwassererwärmung. Zur Berechnung der Arbeitszahl wird die thermische Energie zum Energiebezug der elektrischen Komponenten ins Verhältnis gesetzt. Hierbei werden der Verdichter und die Steuerung der Wärmepumpe sowie der Antrieb im Wärmequellenkreis (Ventilator, Sole- bzw. Brunnenpumpe) und der Heizstab berücksichtigt.

Im Rahmen des Projektes „WP-Effizienz“ wurden vom Fraunhofer ISE rund 100 Wärmepumpen in neu gebauten Einfamilienhäusern, mit einem spezifischen Heizwärmeverbrauch zwischen 30 bis 150 kWh/(m2a), vermessen. In einem ähnlichen Projekt („WP im Bestand“) untersuchte das Fraunhofer ISE Wärmepumpen in unsanierten bzw. teilsanierten Bestandsgebäuden. Hier wurden insgesamt rund 70 Anlagen vermessen, die als Ersatz für Ölkessel installiert wurden.

Arbeitszahlen im Jahresgang

Die Effizienz, die eine Wärmepumpe im Betrieb erreichen kann, wird wesentlich von dem Temperaturniveau auf der Wärmequellen- und Wärmesenkenseite bestimmt. Je kleiner der Unterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, desto höher die Effizienz der Wärmepumpe. Die Betrachtung der monatlichen Arbeitszahlen des Projektes „WP Effizienz“ verdeutlicht diesen Zusammenhang.

In Abb. 22 sind die Vorlauftemperaturen des Wärmesenkenkreises (getrennt für Raumheizung und Warmwasserbereitung) und die Monatsarbeitszahlen über ein Jahr (Juli 2009 bis bis Juni 2010) als Mittelwert aller ausgewerte-ten Erdreich/Wasser-Wärmepumpen dargestellt. Deutlich sind die im Jahresverlauf schwankenden Monatsarbeits-zahlen zu erkennen. Diese spiegeln die sich ändernden Betriebsbedingungen wieder. Aufgrund der fast ausschließlich verwendeten Flächenheizungen betragen die Vorlauftemperaturen im Heizbetrieb im Mittel 36 °C, während im Warmwasserbetrieb Durchschnittswerte von 51 °C erreicht werden.

Im Jahresverlauf variiert das Verhältnis der Energie, die zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung bereitgestellt wird, entsprechend dem Heizwärmebedarf der einzelnen Monate. In der Kernheizperiode beträgt der Anteil der Warmwasserbereitung bei den untersuchten Anlagen im Mittel rund 10 %; einem für Neubauten recht niedrigen Wert. Somit liegt der gewichtete Mittelwert der Wärmesenkentemperatur in den Wintermonaten nahe der Temperatur im Heizbetrieb und in den Sommermonaten nahe der Temperatur im Warmwasserbetrieb. Die Quellentemperaturen (Abb. 29) weisen ebenfalls jahreszeitliche Schwankungen auf. Jedoch können die höheren Soletemperaturen in den Sommermonaten die hohen Senkentemperaturen nicht „kompensieren“. Neben dem höheren Temperaturhub in den Sommermonaten wirkt sich die Tatsache, dass aufgrund der kurzen Betriebszeiten der Wärmepumpe der Anteil der Steuerung an dem elektrischen Energiebezug steigt, negativ auf die Arbeitszahl aus. Die mittleren Monatsarbeitszahlen betragen im Juli / August knapp über 3,0 und steigen mit Beginn der Heizperiode auf Werte über 4,0. In dieser Zeit profitiert die Wärmepumpe von dem noch regenerierten Erdreich und den im Mittel noch geringen Senkentemperaturen. In der Kernheizperiode fallen die Arbeitszahlen leicht unter 4,0 ab. Über ein Jahr betrachtet, lag die mittlere Arbeitszahl bei JAZ=3,9.

Auch die untersuchten Außenluft/Wasser-Wärmepumpen sind in Gebäuden installiert, die – im Mittel – einen ähnlich hohen Anteil der Raumheizung bei niedrigen Heizkreistemperaturen aufweisen. Somit liegen hier vergleichbare Bedingungen auf der Wärmesenkenseite vor (Abb. 22). Es offenbart sich jedoch ein großer Un-terschied der monatlichen Arbeitszahlen gegenüber den Erdreich/Wasser-Wärmepumpen. Während man bei Erdreich-Wärmepumpen die Heizperiode eindeutig an den höheren Arbeitszahlen erkennt, arbeiten die Außenluft-Wärmepumpen gerade in den Wintermonaten am ineffizientesten, da der Wärmepumpe nur geringe Quellentemperaturen zur Verfügung stehen. So liegt die niedrigste mittlere monatliche Arbeitszahl (2,6) – in Korrelation zu der Außentemperatur – im Januar. In den Sommermonaten sind die Lufttemperaturen zwar wesentlich höher, fast gleichermaßen aber auch die Senkentemperaturen für die nun fast ausschließlich benötigte Warmwasserbereitung. Die höchsten Arbeitszahlen sind somit in der Übergangszeit zu finden (November 2009 und Mai 2010 mit jeweils 3,2). Wird die Heizgrenze gerade unterschritten, liegen die mittleren Wärmesenkentemperaturen wegen den geringen Temperaturen im Heizbetrieb niedriger als im Sommer, die Außentemperaturen sind jedoch noch relativ hoch. Wie bei den Erdreich/Wasser-Wärmepumpen wirkt sich auch hier der „Standby-Verbrauch“ der Wärmepumpe in den Sommer-monaten mit den geringen Betriebszeiten stärker (und damit negativ) auf die Arbeitszahl aus als in den Monaten mit längeren Betriebszeiten. Die mittlere Jahresarbeitszahl liegt bei 2,9.

Altbau und Neubau im Vergleich

In Abb. 25 sind die jeweils erzielten Arbeitszahlen der beiden Projekte gegenübergestellt. Das Diagramm zeigt die über die genannten Auswertungszeiträume ermittelten durchschnittlichen Arbeitszahlen aller Anlagen der vier Kombinationen aus Alt- und Neubau sowie den Wärmequellen Außenluft und Erdreich. Wie oben vorgestellt, wurden im Projekt „WP Effizienz“ die Erdreich-Wärmepumpensysteme im Mittel mit einer Arbeitszahl von 3,9 betrieben, wohingegen die Erdreich-Wärmepumpensysteme des Projektes „WP im Bestand“ im Mittel eine Arbeitszahl von 3,3 erreichten. Dies spiegelt die installierten Wärmeverteilsysteme wider: die Neubauten sind fast ausschließlich mit Fußbodenheizungen ausgestattet, während in den Altbauten die Raumheizung in den meisten Gebäuden über Radiatoren erfolgte. Die Heizungsvorlauftemperaturen lagen in den Altbauten mit 54 °C im Mittel knapp 20 K über denen im Neubau. Auch bei den vermessenen Außenluft-Wärmepumpen zeigt sich der tendenzielle Unterschied zwischen beiden Projekten: Während im Neubau im Mittel eine Arbeitszahl von 2,9 erreicht wurde, liegt die mittlere Arbeitszahl bei den Altbauten bei 2,6.

Die Betrachtung der Mittelwerte zeigt nur den tendenziellen Unterschied beider Projekte auf. Innerhalb eines Projektes sind teilweise große Unterschiede der Arbeitszahlen der einzelnen Anlagen vorhanden. So erreichten im Projekt „WP Effizienz“ dreiviertel der Erdreich-Wärmepumpen zwar Jahresarbeitszahlen im Spektrum von +/– 10% des Projekt-Mittelwertes, doch lagen Einzelwerte der Jahresarbeitszahlen zwischen 3,0 und 5,2. Den höchsten Wert erreichte eine Anlage, die zum einen bei unterdurchschnittlichen Senkentemperaturen betrieben wurde und zum anderen – aufgrund einer großzügig dimensionierten Erdsondenanlage – hohe Quellentemperaturen auch in der Kernheizperiode behielt. Im Bereich der Altbauten wies die Erdreich-Anlage mit der geringsten Effizienz eine Jahresarbeitszahl von 2,2 und die Anlage mit der höchsten Effizienz, die sich in einem umfangreich sanierten, mit einer Fußbodenheizung ausgestatteten Gebäude befindet und nicht zur Warmwasserbereitung genutzt wurde, eine Jahresarbeitszahl von 4,7 auf. Die Bandbreite der Arbeitszahlen der Außenluft-Wärmepumpen hat bei den Bestandsgebäuden und den Neubauten in etwa das gleiche Ausmaß und reichte von 2,1 bis 3,3 bzw. von 2,3 bis 3,4.

Einsatz des Heizstabes

Erfreulicherweise sind die Anteile der elektrischen Zusatzheizung in den meisten vermessenen Anlagen auf sehr niedrigem Niveau. Im Folgenden sind die Ergebnisse aus dem Projekt „WP Effizienz“ für das Jahr 07/2009 – 06/2010 vorgestellt. Im Fall der Erdreichanlagen waren bei der Mehrzahl der 56 Anlagen keine Heizstabaktivitäten vorhanden. Und nur bei rund 10% der Anlagen wurden mehr als 1% der thermischen Energie für Raumheizung und Brauchwassererwärmung von einem Heizstab bereitgestellt. Die Detail-Auswertung der Heizstab-aktivitäten deutet darauf hin, dass diese zumindest teilweise auf einen bewussten Betrieb des Heizstabes zur Unterstützung während der Bauaustrocknung des Gebäudes, auf ungünstige Parametrierungen der Regelungen oder auf kurzzeitige Ausfälle der Wärmepumpe zurückzuführen sind.

Bei Außenluft-Wärmepumpenanlagen hatten die Heizstäbe erwartungsgemäß einen höheren Anteil an der Wärmebereitstellung. Hier wiesen rund 40% der 18 Anlagen einen Anteil über 1% auf. Abgesehen von einer Anlage wurden jedoch weniger als 5% der Wärmebereitstellung vom Heizstab übernommen. Während die Aktivität des Heizstabes bei Erdreichanlagen kaum mit den Außentemperaturen korreliert, ist hingegen bei den meisten Außenluft-Wärmepumpen diese Korrelation eindeutig gegeben. Bei fast allen untersuchten Anlagen wurde die Aktivität des Heizstabes in den kältesten Monaten festgestellt. Bei einigen Anlagen zeigte sich auch in heißen Sommermonaten ein Betrieb des Heizstabes. Bei extrem hohen Außentemperaturen können Betriebsbedingungen auftreten, die außerhalb des Kennfeldes des Kompressors liegen. Dann schaltet die Wärmepumpe ab und der Heizstab übernimmt die Warmwasserbereitung.

Elektrischer Energiebedarf von Ventilator und Pumpen

Der Energiebedarf der wärmequelleseitigen Komponenten, Pumpe bzw. Ventilator, ergab bei beiden Wärmequellen sehr ähnliche Werte. So wurden bei den Erdreich-Wärmepumpen für den Antrieb der Wärme-quellenpumpe im Mittel 5,9% der elektrischen Energie, die von der Wärmepumpe (ohne Heizstab) bezogen wurde, benötigt. Die Bandbreite der einzelnen Anlagen war relativ gleichmäßig gestreut in einem Spektrum zwischen von 2% und 10%; in einem Fall lag der Anteil bei 12%. Die Ursachen hierfür sind vielfältig und reichen von unterschiedlichen Dimensionierungen der Quellenanlagen, Abweichungen der Betriebsvolumenströme von den Auslegungsvolumenströmen bis zu unterschiedlichen Effizienzen der Pumpen im jeweiligen Betriebspunkt.

Der Anteil für den Ventilator bei den Außenluft-Wärmepumpen lag im Mittel bei 6,7%. Die Bandbreite der Einzelanlagen ist vergleichbar zu dem der Wärmequellenpumpe der Erdreichanlagen und reicht von 2% bis 11%.

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