Wärmepumpen auf dem Prüfstand - Ergebnisse einer siebenjährigen Praxisuntersuchung: Erdgekoppelte Wärmepumpen können hohe Energieeffizienzen erreichen, Luft-Wärmepumpen sind zum großen Teil kritisch zu bewerten

In einem siebenjährigen „Feldtest Wärmepumpen“ untersuchte die Agenda-Gruppe zwischen den Jahren 2006 und 2013 in zwei Phasen an insgesamt 52 Heiz- und 13 Warmwasser-Wärmepumpen den Stand heutiger Wärmepumpentechnik, deren Ener­gieeffizienz und Wirtschaftlichkeit. Ziel war es, nicht nur den Teilnehmern an der Praxisuntersuchung, sondern auch Planern, Energieberatern und Handwerkern verlässliche Daten über die energieeffizientesten Wärmepumpensysteme an die Hand zu geben. Dazu rüstete die Agenda-Gruppe in Zusammenarbeit mit der Ortenauer Ener­gieagentur in Offenburg und mit finanzieller Förderung der beiden Energieversorger badenova und E-Werk Mittelbaden die Wärmepumpenanlagen zwischen Freiburg im Breisgau und Baden-Baden mit Wärme- und Elektrozählern aus.

Wärmepumpen: Systemvielfalt und Mindest-Arbeitszahl

Die insgesamt 65 vermessenen Heiz- und Warmwasser-Wärmepumpenanlagen repräsentieren die Vielfalt der vorhandenen Systeme: Bei den Heiz-Wärmepumpen sind die Kaltquellen Luft (24), Erdreich (15) und Grundwasser (11) vertreten mit einem Anteil an Fußbodenheizungen von 65%; der Rest sind Radiatorheizkörper oder eine Mischung aus beiden. Die Wärmepumpen arbeiten in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie in öffentlichen Einrichtungen und liefern Wärme für die Wohnräume und das Trinkwasser. In 13 Fällen erfolgte die Brauchwassererwärmung trotz der vorhandenen Heizwärmepumpe separat mit kleinen Warmwasser-Wärmepumpen. Nur 21% der untersuchten Wärmepumpen verfügen über keinen Heizungspufferspeicher. Weitere Informationen zur Systemvielfalt gehen aus den Übersichten in /1/ und /2/ hervor.
Zur Beurteilung der Energieeffizienz von Elektro-Wärmepumpen ist die Jahresarbeitszahl (JAZ) die wichtigste Kenngröße. Sie ist definiert als das Verhältnis von erzeugter Wärme am Ausgang der Wärmepumpe zur notwendigen elektrischen Energie an deren Eingang. Man unterscheidet die Erzeuger-Jahresarbeitszahl EJAZ, gemessen direkt am Ausgang einer Wärmepumpe, und die System-Jahresarbeitszahl SJAZ, die auch noch die Verluste eines eventuell vorhandenen Heizungspuffer- und Warmwasserspeichers berücksichtigt. Die für den Klimaschutz wichtigere Kenngröße ist die SJAZ, weil sie die Nutzwärmen am Ausgang des Wärmepumpensystems bilanziert. Der Strom für die Umwälzpumpe des Heizkreises findet keine Berücksichtigung, weil er bei jedem Heizsystem notwendig ist. Die erforderlichen Mindest-Jahresarbeitszahlen für eine Ener­gieeffizienz gehen aus dem Textkasten hervor.

Basisuntersuchung und Innovationen

Die Agenda-Gruppe begann den „Feldtest Wärmepumpen“ mit einer zweijährigen Basisuntersuchung. An dieser Phase 1 nahmen 33 Heiz- und 5 Warmwasser-Wärmepumpen teil. Wichtig: Keine war zu Messbeginn älter als vier Jahre. Im Gegensatz zu anderen Studien kannte keiner der zwölf Hersteller die Lage der Wärmepumpen und die Namen der Betreiber. Eine Nachbesserung während des zweijährigen Feldtests war somit nicht möglich. Selbstverständlich hatte die Gruppe offensichtliche Fehler nicht nur zu Beginn der Messungen, sondern auch während des Betriebes der Wärmepumpen beheben lassen (z.B. mehrere Verdichterausfälle), um sich nicht dem Vorwurf auszusetzen, sie würde offensichtlich defekte Anlagen vermessen. Externe, ebenfalls unabhängige Energieexperten, bescheinigten deshalb der Agenda-Gruppe eine hohe Praxisnähe.
Da die Phase 1 des „Feldtests Wärmepumpen“ bis auf zwei Erdsonden-Wärmepumpen nur mäßige bis schlechte Ergebnisse lieferte, entschloss sich die Agenda-Gruppe, die Phase 2 „Innovative Wärmepumpensysteme“ anzuschließen. Das Ziel: Festzustellen ob und gegebenenfalls in welchem Maße noch Energieeffizienzsteigerungen möglich sind. Das betrifft nicht nur eine verbesserte Technik, sondern auch eine zunehmende Erfahrung bei der Planung, dem Einbau und Betrieb von Wärmepumpen.
Die Phase 2 umfasste 19 Wärmepumpen. Die Luft-Wärmepumpen waren mit 11 Anlagen überdurchschnittlich stark vertreten, weil sie sich zuvor als energie-ineffizient erwiesen. Hier galt es, die neuesten Entwicklungen und Einsatzfälle zu untersuchen. Die erdgekoppelten Wärmepumpen nahmen an dieser Phase nur mit sechs Anlagen teil. Der Grund geht schon aus der Basisuntersuchung hervor: Wenn die Rahmenbedingungen stimmen und alle Arbeiten fachgerecht ausgeführt werden, dann sind Jahresarbeitszahlen von mehr als 4 ohne Weiteres möglich. Als innovativ ist eine sogenannte CO2-Erdsonde zu bezeichnen und ein Erdkollektor, in dem das Kältemittel der Wärmepumpe direkt verdampft. Darüber hinaus untersuchte die Agenda-Gruppe auch noch einen solarthermisch-unterstützten Erdkollektor- und die Nutzung der Abwasserwärme.

Ergebnisse

• Heiz-Wärmepumpen

Bild 1 zeigt die Messergebnisse für die Heiz-Wärmepumpen. Aufgetragen ist die entscheidende Kenngröße für die Energieffizienz von Wärmepumpen, nämlich die Jahresarbeitszahl JAZ. Die Grafik unterscheidet die Kaltquellen Luft, Erde und Grundwasser sowie eine solar-unterstützte Erdkollektor- und eine Abwasser-Wärmepumpe. Die Höhe der braunen Säulen stellen die Mittel der Jahresarbeitszahlen in der Phase 1 dar (Basisuntersuchung). Bei den Luft-Wärmepumpen beträgt das Mittel 2,8; keine der 13 Anlagen kommt über eine SJAZ = 3,0. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit einem bundesweiten Feldtest des Fraunhofer-Institutes für Solare Energiesysteme (ISE: blauer Balken). Anders dagegen die erdgekoppelten Wärmepumpen: Deren Mittel liegen zwischen 3,1 und 3,4, mit zwei maximalen Einzelwerten bei den Erdsonden-Wärmepumpen von 4,3 und 4,4 – bis auf diese zwei Werte ist das ein insgesamt mäßiges bis schlechtes Ergebnis der Basis­untersuchung.
Wegen dieser Energieeffizienz-Mängel entschloss sich die Agenda-Gruppe zu einer Fortsetzung des Feldtests im Rahmen einer Phase 2 mit dem anspruchsvollen Titel „Innovative Wärmepumpensysteme“. Die Ergebnisse zeigt ebenfalls Bild 1:
Luft-Wärmepumpen: Ein großes Feld liegt nach wie vor bei Jahresarbeitszahlen zwischen 2,0 (halbe Stromheizung) und 2,8. Darunter befinden sich auch Groß-Wärmepumpen in bis zu 10-Familienhäusern und die viel beworbenen Abluft-Wärmepumpen. Letztere haben durchaus einen gewissen Charme: In einem Kompaktgerät lassen sich kontrollierte Wohnraumlüftung, Solarspeicher, Heizung und die Warmwasserbereitung auf einem kleinen Raum kombinieren. Die Agenda-Gruppe ermittelte aber bei drei Anlagen nur eine SJAZ zwischen 2,6 und 2,8. Der Grund: Niedrig­energiehäuser haben immer noch einen zu hohen Wärmebedarf, sodass eine Überlüftung und ein damit verbundener Wärmekurzschluss stattfindet. Und beim Passivhaus ist die Luft-Wärmepumpe selbst das Problem: Je geringer die elektrische Anschlussleistung, des­to geringer die Energieeffizienz. Das zeigt sich auch bei den ebenfalls untersuchten kleinen Warmwasser-Wärmepumpen.
Ausreißer gibt es nach unten wie nach oben. Während die thermosiphonische Verknüpfung eines Wärmepumpen-Kondensators in einem Kombispeicher sich nicht bewährt hat (roter Balken: fast eine Stromheizung), überspringen jetzt die ersten 3 von 25 untersuchten Luft-Wärmepumpen die Energieeffizienzhürde der dena und des RWE (grüner Balken).
Grundwasser-Wärmepumpen: In der Phase 1 kamen sie bei Einfamilienhäusern wegen zu geringer Bohrlochdurchmesser und zu hoher Leistung der Förderpumpe im Mittel nur auf eine JAZ = 3,1. Die Agenda-Gruppe hat sich deshalb in der Phase 2 auf vier Groß-Wärmepumpen in öffentlichen Einrichtungen und einer Reihenhaussiedlung konzentriert, weil bei ihnen das Verhältnis der Nennleistungen von Förder- zu Wärmepumpen günstiger ist. Die Ergebnisse bestätigen diesen Vorteil: Drei von vier untersuchten Grundwasser-Wärmepumpen kommen auf eine Jahresarbeitszahl von mehr als 4 (grüner Balken).
Erdreich und Abwasser-Wärmepumpen: Da Erdsonden- und Erdkollektor-Wärmepumpen bei fachgerechter Planung und Ausführung ohne Weiteres eine Jahresarbeitszahl von JAZ = 4 übertreffen, hat die Agenda-Gruppe nur Anlagen mit Neuerungen bei der Technik in das Messprogramm aufgenommen. Die Ergebnisse sind beeindruckend: Der horizontale Erdkollektor mit einer Direktverdampfung des Wärmepumpen-Kältemittels kommt auf eine SJAZ = 4,7, die CO2-Erdsonde auf 5,1 und der solarunterstützte Erdkollektor sogar auf 5,8 (grüne Balken).
Lediglich die Abwasser-Wärmepumpe verfehlt wegen ungünstiger Rahmenbedingung das Energieeffizienzziel: die Temperatur im Abwasserkanal ist mit einem Jahresmittel von 10°C zu niedrig (Mischsystem: Im Winter kalter Regen und Schmelzwasser dabei), es handelt sich um einen bivalent-parallelen Betrieb von Wärmepumpe und Gaskessel und schließlich sind die Vorlauftemperaturen mit 60°C für die Radiatorheizkörper und den Trinkwasserspeicher zu hoch.
Erdgas-Wärmepumpen (in Bild 1 gelbe Balken): Die Agenda-Gruppe erfasste auch die Energieeffizienz von drei Erdgas-Motor- bzw. -Absorptions-Wärmepumpen für eine Schule, einen Kindergarten und ein Mehrfamilienhaus. Rechnet man die gemessenen Jahresarbeitszahlen mit dem derzeit gültigen Primärenergiefaktor von Strom in Höhe von 2,6 um, dann liegen sie – wie die meisten Luft-Wärmepumpen – zwischen JAZ = 2 und 3. Die Erdgas-Wärmepumpen sind damit bezüglich des Beitrages zum Klimaschutz vergleichbar oder schlechter als moderne Erdgas-Brennwertkessel. Der Primärenergiefaktor stellt das Verhältnis der Primärenergien Kohle, Uran und Gas zu der Endenergie Strom dar, und zwar unter Berücksichtigung der Ener­giekette Gewinnung, Umwandlung und Verteilung.

• Warmwasser-Wärmepumpen

Klein-Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung mit einer Leistungsaufnahme von etwa 300 W elektrisch stehen oft im Keller, wo sie auch Vorratsräume abkühlen sollen. Ob dieses Ziel erreicht wird, stand im „Feldtest Wärmepumpen“ nicht zur Debatte. Die geringe Kompressorleistung, die Verlustwärme des integrierten Warmwasserspeichers und die fehlende Dämmung der Kellerräume sprechen dagegen. Es gibt aber auch zunehmend sogenannte Abluft-Wärmepumpen, die in Wohnungen arbeiten. Sie nutzen die Abluft der Räume, um warmes Trinkwasser zu erzeugen. Wegen der höheren Temperatur der Raumzuluft im Vergleich zur Kellerluft kommen sie auf eine höhere Ener­gieeffizienz.
Das Bild 2 zeigt die Ergebnisse von 13 Klein-Wärmepumpen in Ein- bis Mehrfamilienhäusern. Die im Keller aufgestellten Geräte erreichen eine SJAZ von im Mittel nur 1,5 (rote Säulen), die in den Wohnräumen von rund 2,5 (grüne Säulen). Wie die drei senkrechten Doppelpfeile zeigen, übertrifft keine der Wärmepumpen den Mindestwert von SJAZ = 3,0.
Die Gründe für das schlechte Abschneiden der Warmwasser-Wärmepumpen liegen in der kalten Kellerluft, der geringen Nennleistung der Aggregate (vergleichbar mit der Abluft-Wärmepumpe in einem Passivhaus) und in einem zu niedrigen Warmwasserverbrauch. Die Untersuchung hat ergeben, dass erst ab einem Verbrauch von mehr als 40 l/(Tag x Person) eine JAZ > 3 möglich ist. Da aber die Praxiswerte nur zwischen 10 und 32 l/(Tag x Person) liegen, lässt sich überspitzt formulieren: Eine Warmwasser-Wärmepumpe ist nur dann ener­gieeffizient, wenn die Nutzer mit dem Wasser verschwenderisch umgehen. Eine Sonnenkollektoranlage für Warmwasser wäre eine ökologisch bessere Inves­tition gewesen.

Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung

Es gibt erheblich Unterschiede zwischen den Leistungszahlen, ermittelt auf den Testständen, und den Jahresarbeitszahlen, gemessen unter realistischen Betriebsbedingungen. Planer, Hersteller und Handwerker sind deshalb aufgefordert, ihre Komponenten und Systeme weiterhin zu optimieren. Dazu sind aufgrund der Erfahrungen im Rahmen des siebenjährigen „Feldtests Wärmepumpen“ die folgenden Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung der Komponenten und Systeme erforderlich:

• Bei der Planung

• Wärmepumpensystem: Komplexität verringern – nicht zu viele Energiequellen kombinieren, weniger Umwälzpumpen und Stellventile; dadurch weniger Regelungsprobleme und Hilfs­energien. Der bekannte Schweizer Wärmepumpenfachmann Peter Hubacher sagte einmal: „Je einfacher die Anlage, desto höher die Jahresarbeitszahl.“
• Wärmepumpe: Zugesicherte Leistung im Datenblatt muss auch mit der Praxis übereinstimmen; angepasste Dimensionierung: zu hohe Nennleistung > Takten, zu geringe > Notheizstab zu oft aktiv; Einsatz von Wärmepumpen mit variabler Verdichterleistung.
• Komponenten: Luft-WP: Wärmetauscher größer wählen und Schallproblem berücksichtigen; Grundwasser-WP: Ausreichend großer Durchmesser der Förder- und Schluckbrunnen, geringere Leistung der Förderpumpe; Erdreich-WP: Sondenlänge großzügig bemessen, kein Einsatz von Korb- oder Grabenkollektoren, weil das Volumen des abzukühlenden Erdreichs zu gering ist.

• Speicher: Heizungspufferspeicher möglichst vermeiden (bei Fußbodenheizung nicht notwendig), Kombispeicher (Heizung und Brauchwasser) sind kritisch zu bewerten, weil wegen des integrierten Warmwasserboilers die mittlere Temperatur des Speichers zu hoch ist.
• Wärmesenke: Kein Einsatz von Wärmepumpen im unsanierten Altbau, Vorlauftemperaturen nicht mehr als 35°C.

• Bei der Ausführung

• Vorgeschriebenen hydraulischen Abgleich der Heizstränge durchführen.
• Undicht schließende Ventile aufspüren und ersetzen.
• Wärmedämmung an Rohren und Armaturen lückenlos anbringen.

• Im Betrieb

• Heizkurve niedriger einstellen; Nachtabsenkung nicht zu lang und nicht zu tief.
• Notheizstab mit Hand ausschalten, um kontrollierten Betrieb
• zu ermöglichen; Heizbetrieb im Sommer vermeiden.
• Einweisung des Nutzers durch den Handwerker erforderlich; auch bei Wärmepumpen ist eine Wartung notwendig.

Die Durchführung dieser Maßnahmen würde den Wärmepumpen einen deutlichen Umweltvorteil gegenüber Öl- oder Gaskesseln verschaffen und letztlich auch den Geldbeutel der Nutzer schonen.

Literatur:

/1/ Systemvielfalt WP Ph. 1: www.agenda-energie lahr.de/WP_FeldtestPhase1.html,
Schlussber. Ph. 1, S. 32 – 33

/2/ Systemvielfalt WP Ph. 2: www.agenda-energie-lahr.de/WP_FeldtestPhase2.html,
Schaltfl. „Tabellarische Übersicht Phase 2“

Autoren: Dr. Falk Auer, Inhaber des Ingeni­eurbüros NES in Langenselbold bei Hanau und Lahr (Schwarzwald). Seit 2000 engagiert er sich ehrenamtlich in der Lokalen Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr. Herbert Schote, Elektroniktechniker und Techniker im Industrial Engineering, arbeitet seit 2005 in der Lokalen Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr mit.

Nachgefragt

IKZ-HAUSTECHNIK: Sieben Jahre sind ein langer Zeitraum. Viele wertvolle Erfahrungen konnten gesammelt werden. Nun gilt es, dieses Wissen in den Markt zu tragen. Wie soll das geschehen, welche Multiplikatoren nutzen Sie?
Dr. Falk Auer: Die Ergebnisse des „Feldtests Wärmepumpen“ stehen in vollem Umfang auf unserer Internetadresse www.agenda-energie-lahr.de. Die Seite ist gut frequentiert. Mehrmals wöchentlich wenden sich Interessierte an uns wegen zusätzlicher Informationen zu einem eigenen Bauvorhaben. Darüber hinaus informieren wir über die Praxisuntersuchung in Fachzeitschriften und halten nicht nur bundesweit, sondern inzwischen auch im benachbarten deutschsprachigen Ausland Fachvorträge.
IKZ-HAUSTECHNIK: Wenn Sie sich alte Wärmepumpeninstallationen aus 2006 betrachten und sie mit neueren Anlagen vergleichen, fällt Ihnen etwas auf? Sind die Anlagen heute in Summe besser geplant und gebaut? Haben Hersteller, Planer und Handwerk dazu gelernt? Oder passieren immer noch die gleichen Fehler?
Dr. Falk Auer: Bei den Luft-Wärmepumpen kann man von „Sekt und Selters“ sprechen: In der Phase 2 übertreffen erstmalig ein paar das Energieeffizienzziel der dena und des RWE. Dem stehen freilich auch Ergebnisse gegenüber, die fast einer Stromheizung entsprechen. Das große Feld liegt aber immer noch zwischen einer Jahresarbeitszahl von 2 bis 3. Die große Mehrheit der Luft-Wärmepumpen bleibt somit nach wie vor hinter ihren Möglichkeiten zurück. Offensichtlich gibt es noch erheblichen Optimierungsbedarf. Es ist deshalb unverständlich, weshalb dieser Wärmepumpentyp nach wie vor einen beachtlichen Zuspruch findet.
Deutlich besser sieht es in der Phase 2 bei den erdgekoppelten Wärmepumpen aus. Bei ihnen machen sich die Innovationen CO2-Erdsonde, die Direktverdampfung des Kältemittels in einem Erdkollektor und eine solare Unterstützung positiv bemerkbar. Unzureichend ist dagegen das Ergebnis bei der Abwasser-Wärmepumpe, weil in diesem Fall die Rahmenbedingungen und die Betriebsweise nicht gestimmt haben.
IKZ-HAUSTECHNIK: Apropos Fehler bei Planung und Ausführung: Welche Mängel tauchen in der Praxis am häufigsten auf?
Dr. Falk Auer: Unter den im Abschnitt „Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung“ erwähnten Punkten sind besonders die folgenden Mängel zu erwähnen: Das Wärmepumpensystem ist zu komplex und braucht zu viel elektrische Hilfsenergie. Darüber hinaus ist die Temperatur oft zu hoch, bedingt durch Radiatorheizkörper, Trinkwasserspeicher (Le­gio­nellenschaltung), Kombispeicher oder eine großzügig eingestellte Heizkurve. Schließlich sind auch noch die weitgehend fehlende Überwachung der Energieeffizienz und Wartung zu erwähnen. Dadurch merkt der Betreiber – wenn überhaupt – erst nach der nächsten Abrechnung eine zu geringe Energieeffizienz und damit verbunden zu hohe Stromkosten.
IKZ-HAUSTECHNIK: Der Feldversuch ist abgeschlossen. Wie geht es weiter? Werden Sie sich in einem anderen Projekt einer anderen Technik widmen oder werden Sie dem System Wärmepumpe verbunden bleiben und den Feldversuch in welcher Form auch immer weiter begleiten?
Dr. Falk Auer: Eine Phase 3 des „Feldtests Wär­mepumpen“ wird es in dieser Form nicht mehr geben. Das schließt aber Einzeluntersuchungen nicht aus, wie etwa das gerade begonnene Projekt „Wärmepumpe – Eisspeicher – Sonnenkollektor“ zeigt. Auch würden wir uns auf Anfrage Messungen der Energieeffizienz bei Anlagen mit innovativem Charakter nicht verschließen, wie zum Beispiel Stirling- oder Brennstoffzellen-Heizgeräten.

Jahresarbeitszahl
Laut der Deutschen Energieagentur (dena) in Berlin und des Rheinisch-Westfälischen Elektrizitätswerkes (RWE) in Essen muss die Jahresarbeitszahl bei Elektro-Wärmepumpen größer als JAZ = 3,0 sein, um sie als „energieeffizient“ und größer als JAZ = 3,5 sein, um sie als „nennenswert energieeffizient“ bezeichnen zu können.

www.agenda-energie-lahr.de