Ist der Wärmepumpenaufschwung wieder nur ein Hype?

Der rasante Aufschwung der Wärmepumpentechnik im Zusammenwirken mit der damals neu entdeckten Fußbodenheizung nahm ein schnelles Ende – und das nicht nur, weil die Preise für Öl und Gas wieder sanken (was außerdem zeitverzögert erst ab 1985 eintrat). Technisch bedingte Fehler und Nachlässigkeiten in der Montage und Betriebsführung brachten diese Anlagen in Misskredit. Das Beratungs- und Servicenetz war unzureichend.

Vor allem waren es wohl auch Bestrebungen, notwendige Randbedingungen des energieeffizienten Betriebs außer Acht zu lassen, um niedrigere Investitionskosten erreichen zu können. Hierzu zählten beispielsweise der wissentlich oder unwissentlich empfohlene Verzicht auf Pufferspeicher und Regelungstechnik auf der Heizungsseite, aber auch die Montage nicht sauerstoffdiffusionsdichter Rohrleitungen bei Fußboden- und Wandheizungen.

Der seit drei Jahren zu verzeichnende Aufschwung installierter ­Wärmepumpenanlagen ist vielleicht durch die prognostizierte Energiepreisentwicklung für die kommenden Jahre weniger gefährdet

als seinerzeit – dennoch können erneut fehlerhafte Anlagen der weiteren Verbreitung dieser energieeffizienten Technik entgegenwirken. Die Prognose für 2007 wurde jedenfalls nicht erreicht – es wurden fast genau so viele Wärmepumpenanlagen montiert wie im Jahr zuvor.

Ist dies ein neuerlicher Wendepunkt in der Anwendung dieser Technik?

Jetzt gilt es, alte Fehler zu vermeiden, damit diese theoretisch hoch energieeffiziente Technik nicht erneut an Renommee verliert. Dabei sind Weiterbildung und Qualifizierung z. B. zum „EU Heat Pump Ins­tal­ler“ oder zertifizierten „Bohrunternehmer für Erdwärmesonden“ (DVGW W 120 oder RAL Gütezeichen „Erdwärme“), zunächst wichtig und dienen der Qualitätssicherung, die jeder einfach erwartet, der selbst baut. Übrigens erwartet dies auch der, der anderen diese investiven Einsparungen empfiehlt.

Aber auch allgemein sollten die grundlegenden Zusammenhänge eines energieeffizienten Betriebes der Wärmepumpenanlage in der TGA-Branche allseits bekannt und bewusst eingehalten werden. Nach Einführung der Energieausweise in Deutschland werden Fachplaner und Ausführende stärker in die Pflicht genommen werden, was die Beratung und Prognose der späteren Betriebskosten anbelangt. Der Fachplaner haftet für den von ihm bestimmten Energiebedarf. Der Ausführende künftig wohl auch für das Erreichen z. B. der prognostizierten Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpenanlage.

Energieeffizienz von Wärmepumpenanlagen

in Theorie und Praxis

Der Entwurf des Gesetzes zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wär­me­bereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG, Stand 18. Oktober 2007) [3] sieht in der Theorie für energieeffiziente Wärme­pumpenanlagen die im Kasten (Seite 70, rechts) dargestellten Richtwerte und Erklärungen für den energieeffizienten Betrieb von Wärmepumpenanlagen vor.

Bewertungskriterium ist demnach richtigerweise nicht der COP-Wert der Maschine als im Labor ermittelte „Blitzlichtaufnahme“, sondern die Jahresarbeitszahl der Anlage (JAZ), die das gesamte saisonale Betriebsverhalten widerspiegelt. Diese Jahresarbeitszahl kann beispielsweise unter Berücksichtigung des Betriebsverhaltens der Wärmequelle (Wasser, Erdreich, Luft) und der Wärmesenke (Gebäudeheizung) überschlägig nach VDI 4650 [4] oder sehr genau mit Computersimulationsprogrammen [5] bestimmt werden. In einer früheren Entwurfsfassung des EEWärmeG wurde noch zwischen der Jahresarbeitszahl für Anlagen mit der Wärmequelle (Grund-)Wasser bzw. Erdreich (JAZ mindestens 4,0) und Anlagen mit der Wärmequelle Luft (JAZ mindestens 3,3) unterschieden, was auf Grund der unterschiedlichen Wärmequellentemperaturen auch sinnvoll ist. Das Erreichen einer Jahresarbeitszahl von 3,3 für erdgekoppelte Wärmepumpen ist selbst bei schlechter Planung und Betriebsweise noch möglich – liegt aber nicht im Interesse des Betreibers. Hier wird ein Potential verschenkt, das sowohl dem Umweltschutz als auch dem Geldbeutel des Betreibers zu Gute kommen könnte. Differenzierter in der Bewertung ist das BAFA-Förderprogramm, das nach Gebäudealter und Wärmequelle die mindestens zu erreichenden Jahresarbeitszahlen festlegt. Für hervorragende Ergebnisse, d. h. JAZ größer als 4,5 (Bestand) bzw. 4,7 (Neubau) werden Innovationsfördermittel bereitgestellt.

Bei einem durchschnittlichen Kraftwirkungsgrad von ca. 35 bis 38 % zur Stromerzeugung ist eine Jahresarbeitszahl von 3,0 bei elektro­motorischen Wärmepumpen angezeigt, um auf die gleiche Energie­effizienz im Vergleich mit Gas und Öl zu erlangen. Ein verbesserter Primärenergiefaktor des Stromes auf Grund modernerer (GuD-)Kraftwerke und des Einbeziehens erneuerbarer Energien in die Stromproduktion kann den auf die JAZ bezogenen „Gleichgewichtswert“ auf

ca. 2,7 drücken. Unter Berücksichtigung von Abweichungen im Betrieb ist der im Gesetzesentwurf genannte Minimalwert von 3,3 dennoch für Luft-Wasser-Wärmepumpen gerechtfertigt.

Gasmotorische Wärmepumpen sind anders zu bewerten, was sich in der geforderten Jahresarbeitszahl von mindestens 1,2 zeigt. Hierbei wird statt Strom mit seinen hohen Erzeugungsverlusten (nach EnEV 2007 mit einem Primärenergiefaktor f_P,S von 2,7) Gas (Primärenergiefaktor f_p,G von 1,1) genutzt. Wird die motorische Abwärme in das System der Wärmeerzeugung eingekoppelt, nimmt die Energieeffizienz der Anlage zu. Ähnlich verhält es sich mit Adsorptionswärmepumpen, die unter Verwendung von Zeolith Nutzungsgrade von 128 bis 140 % erreichen sollen. (Zum Vergleich: der brennwertbezogene Norm-Nutzungsgrad einer Gasfeuerung beträgt ca. 96 %).

Die Forderung nach der Montage von Wärmemengen- und Stromzähler zeigt weiterhin, dass ein Anlagenmonitoring erwartet wird, um das Erreichen der prognostizierten Jahresarbeitszahl nachweisen zu können. Wird die Jahresarbeitszahl deutlich unterschritten, sind die Anlage zu überprüfen und Fehler zu beseitigen.

Problematisch ist hierbei allerdings auch das Berücksichtigen des Nutzerverhaltens im Gebäude. Angehobene Raumtemperaturen und damit erhöhte Vorlauftemperaturen verschlechtern die Jahresarbeitszahl. Deshalb sollten hierzu raumklimatische Messungen nach DIN EN 15 251 [6] einschließlich der Kontrolle der Fahrkurve am Heizungsregler durchgeführt werden.

In der Praxis wurden in der Schweiz im Rahmen umfangreicher Feldversuche Jahresarbeitszahlen für unterschiedliche Wärmepumpen­anlagen ermittelt (Bild 3 [7], [8]), die einerseits eine recht große Streuung zeigten. Andererseits zeigen die Ergebnisse der Bestanlagen, dass

in der Praxis durchaus hohe Jahresarbeitszahlen erreicht werden können.

Diese und weitere Felduntersuchungen an ausgeführten Wärmepumpenanlagen [9], [10], [11], [12], [13] führen zu folgendem Resümee:

1. Die Wärmepumpen haben einen technisch hohen Stand erreicht und laufen zuverlässig, sofern ein zu häufiges Takten vermieden wird.

2. Die hydraulische Einbindung der Wärmepumpe insbesondere bei komplexen Anlagen ist mitunter fehlerhaft. Besondere Sorgfalt ist solchen Anlagen zu widmen, mit denen einerseits im Sommer gekühlt, andererseits jedoch die Trinkwassererwärmung betrieben wird. In der Schweiz wurden deshalb standardisierte hydraulische Grundschaltungen für Wärmepumpenanlagen veröffentlicht.

3. Auf der Wärmequellenseite sind die Hilfsenergieaufwendungen (Sole­pumpe, Ventilator) teilweise unnötig hoch. Die hydraulische Auslegung der Sonden ist nicht immer optimal (Wahl des Frostschutzmittels, Durchmesser und Länge der Rohre).

4. Auf der Wärmesenkenseite (Gebäudeheizung) führen falsch eingestellte Heizkurven zu unnötig hohen Vorlauftemperaturen.

5. Störungen im Betrieb der Wärmepumpe werden durch folgende Betriebsmängel verursacht:

Hochdruckstörung infolge mangelnder Wärmeleistungsabnahme:

zu geringer Durchfluss der Wärmepumpe (Auslegungsfehler, Verschmutzung),

Überbeanspruchung der Wärmequelle infolge deren zu geringer Dimensionierung,

Hydraulikprobleme bei bivalenten Anlagen infolge Fehlzirkulation,

zu klein dimensionierter Wärmeübertrager der Trinkwassererwärmung,

Niederdruckstörung infolge mangelnder Verdampferleistungsabgabe:

Durchfluss zu gering (Auslegungsfehler, Verschmutzung)

tiefere Wärmequellentemperatur als erwartet

Wärmequellenanlage zu knapp ausgelegt (zu geringe Erdwärmesondenlänge oder Erdkollektorfläche, zu geringerer Volumenstrom bei Grundwasserentnahme),

höhere Verflüssigerleistung als angenommen (geringere Gebäudeheizlast infolge Bauaustrocknung, tiefere Heiztemperaturen).

6. Anlagenmonitoring und sinnvolle Korrekturen des Betriebes der Wärmepumpenanlagen sind meist nicht ausreichend, werden allerdings auch selten vereinbart. (Um Aufträge zu „ziehen“, werden die jährlichen Wartungskosten mit 0 bis 50 € kalkuliert. Für die Wärmepumpe ausreichend, für die Wärmepumpenanlage nicht.)

Damit kein falscher Eindruck entsteht: Die Bestanlagen erreichen sehr hohe Jahresarbeitszahlen. Diese sind dann vorhanden, wenn der Temperaturhub der Wärmepumpe gering ist. Daraus wird deutlich, dass einerseits neben einem stabilen Betrieb der Wärmequellenseite mit hohen Temperaturen andererseits im Gebäude Heizsysteme mit dauerhaft niedrigen Vorlauftemperaturen erforderlich sind (Bild 4). Eine um 10 K niedrigere Vorlauftemperatur erhöht den COP-Wert respektive die JAZ um ca. 1.

Planerische und montageseitige Aspekte

a) Die Wärmequelle (Wasser, Erdreich oder Luft)

Für den energieeffizienten Betrieb der Wärmepumpenanlage sind gleichbleibend hohe Entzugsleistungen der Wärmequelle die grundlegende Voraussetzung. Während für Sonden entsprechende Bohr- und Nutzungsanzeigen berücksichtigt werden müssen, gelten für Luft – Wasser – Wärmepumpen schallschutztechnische Anforderungen. Die Prüfung der Wärmepumpe selbst basiert auf den Normen EN 255 und EN 14511.

Folgende Aspekte sind beim Konzipieren der Wärmequellenanlage zu bedenken:

Grundwasser

Durchführung von Pumpversuchen, Vermessen nach DVGW W 110

– Volumenstrom ca. 150 bis 300 l/h/kW_th

– Absenkungen des Grundwasserleiters möglich

Berücksichtigen von Temperaturveränderungen des Grundwassers

– hohe Grundwassertemperaturen innerstädtisch durch die Wärmeabgabe der Keller,

– Grundwassertemperaturschwankungen zwischen 6 und 15 °C mit Auswirkungen auf die Verdampferleistung,

befristete Betriebserlaubnis für 10 bis 20 Jahre,

– Trinkwassergewinnung hat Vorrang gegenüber thermischer Nutzung,

Zur Gebäudekühlung sehr geeignet.

Flusswasser und Uferfiltrat

Wasserqualität und mögliche Korrosionsvorgänge berücksichtigen

Volumenstrom ca. 300 bis 400 l/h/kW_th.

Erdreich

Verfüllen der Erdwärmesonde mit gut wärmeleitfähigem Material

– Verfüllmaterial Bentonit zum Schutz der Grundwasserleiter

– Verfüllung mit Erdreichaushub kostengünstiger, aber unzulässig

standortbezogene Entscheidung über Bohrtiefe und Sondenanzahl unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit der Erdschichten

künftig stärkere Berücksichtigung der standortbezogenen Klimaverhältnisse auf die Erdreichregeneration und die resultierenden Entzugsleistungen (Novelle VDI 4640)

Erdwärmesonden (vorrangig im Free Cooling Betrieb) für die Gebäudekühlung geeignet, oberflächennahe Erdkollektoren auf Grund zu hoher sommerlicher Temperaturen nicht.

Außenluft

Wahl der Ansaugung unter Berücksichtigung stabiler Strömungsverhältnisse

– Außenluftansaugung nicht in Senken mit stagnierenden „Kaltluftseen“

Einfluss standortbezogener Außenlufttemperatur und Luftfeuchte auf den Betrieb

Schallschutzanforderungen beachten

– Wahl einer Wärmepumpe mit niedrigem Schallleistungspegel

– Kontrolle des Schalldruckpegels und Wahl geeigneter Schallabsorptionsflächen.

Massivabsorber

Absorber mit Außenluftkontakt (z. B. „Energiestern“) relativ betriebs­unsicher

Massivabsorber im Erdreich kostenaufwendiger, jedoch zuverlässiger.

Bild 5 enthält standortbezogene Angaben zum Bodenprofil und den zu erwartenden Jahresentzugsleistungen. Danach kann abgeschätzt werden, wie tief gebohrt werden sollte und wie viele Erdwärmesonden benötigt werden. Es handelt sich um sehr sinnvolle Daten des Geologischen Dienstes Nordrhein-Westfalen, die Planung und Betrieb auf eine sichere Basis stellen. Es wäre wünschenswert, wenn derartige Daten für alle Bundesländer zur Verfügung stehen würden. Vielleicht werden künftig Bodenschichtenverzeichnisse ausgeführter Anlagen die Grundlage für eine bundesweite Datenbank sein. Bild 6 zeigt die fachgerechte Verfüllung des Bohrloches einer Erdwärmesonde, so dass sich ein guter Wärmetransport vom Erdreich über das Rohr zur Sohle ergibt.

b) Die Wärmesenke (Gebäudeheizung)

„35/28 °C“ – Theorie und Praxis

Bekanntermaßen erfordert der energieeffiziente Betrieb einer Wärmepumpenanlage zunächst niedrige Vorlauftemperaturen. Sowohl in der EnEV 2007 bzw. DIN V 18599 als auch bei den Wärmepumpenprüfungen zum Bestimmen des COP-Wertes wird die Vorlauftemperatur von 35 °C zur Referenzwert der Bewertung der Energieeffizienz herangezogen.

Derartig niedrige Vorlauftemperaturen erfordern einen hervorragen­den baulichen Wärmeschutz des Gebäudes. Für die Uponor Fußbodenheizungssysteme gibt Tabelle 1 Aufschluss über die erreichbaren Heizwärmestromdichten q_FBH, bezogen auf eine Raumtemperatur von 20 °C.

Die erreichbaren Heizwärmestromdichten zeigen, dass die Systemtemperaturen von 35/28 °C für den Neubau von Wohngebäuden nach EnEV 2007 in der Regel ausreichen, um die Heizlast der Räume zu kompensieren. Dennoch sind folgende Hinweise zu beachten:

Räume in Ecklage bzw. mit einem hohen Fensterflächenanteil weisen auch im Neubau höhere Heizlasten im Vergleich zu Mittelwerten der Gebäude von ca. 50 W/m² auf, so dass die Vorlauftemperatur angehoben werden muss.

Für Räume mit relativ hohen Heizlasten empfiehlt sich dann die Kombination aus Fußboden- und Wandheizung.

Wird aus Gründen der thermischen Behaglichkeit die Raumtemperatur von 20 °C auf 22 °C angehoben, ist die Vorlauftemperatur nach Bild 7 zu wählen. Die Vorlauftemperatur beträgt dann 40 °C, was den COP-Wert der Wärmepumpe um ca. 0,5 vermindert.

Aus der Sicht des energieeffizienten Wärmepumpenbetriebes ist die Kombination dünnschichtiger Fußbodenheizungen wie Uponor Minitec oder Uponor Kapillarrohrmatte in Verbindung mit keramischen Oberböden die Idealvariante.

Soll im Gebäudebestand bei einer Luft – Wasser – Wärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von 3,3 erreicht werden, darf die Vorlauftemperatur ca. 40 °C nicht überschreiten. Unter diesen Voraussetzungen ist eine maximale Heizlastdichte von ca. 70 W/m² (Teppich als Oberboden) bzw. 90 W/m² (keramische Oberbodenbeläge) erreichbar. Gerade im Gebäudebestand kann die Hinzunahme von Wandheizungen zur Fußbodenheizung die Energieeffizienz der Wärmepumpenanlage verbessern und den Wohnkomfort steigern (Bild 8). Bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C betragen die erreichbaren Heizwärmestromdichten einer unverkleideten Wandfläche ca. 50 W/m² (Trockenbau) bzw. 60 W/m² (Nassputz).

c) Die Wärmepumpenanlage im Zusammenwirken der Komponenten

Der energieeffiziente Betrieb von Wärmepumpenanlagen ergibt sich durch das Zusammenspiel der Komponenten. Dazu zählt:

Sichern stabiler hydraulischer Verhältnisse

Entscheid über Einbau von Rückschlagventilen (mögliche Fehlzirkulationen beachten), Schmutzfängern und Sicherheitsventilen (Absichern des E-Heizstab-Betriebes),

Bemessen der Membrandruckausdehnungsfäße unter Berücksichtigung des Wärmeträgers, der Temperatur- und Druckunterschiede,

Sichern der Mindestlaufzeit (6 min) und Wärmepumpendurchströmung unter Einplanung elektronisch geregelter Umwälzpumpen und geeigneter hydraulischer Schaltungen (Überströmventil insbesondere bei Einzelraumtemperaturreglung (in EnEV 2007 gefordert) vermeiden),

Bemessen des Pufferspeichers in Abhängigkeit des Wärmepumpentyps (Verdichteranzahl) und der Anlagengröße; Richtwerte

Seriespeichervolumen 15 bis 20 l/kWHG (FBH) bis 35 l/kWHG (Radiator)

Parallelspeichervolumen 35 l/kWHG.

Hydraulische Entkopplung unter Hinzunahme einer hydraulischen Weiche oder Wahl der Einspritzschaltung einschließlich zweier Drosselventile,

Kontrolle des Einhaltens maximal zulässiger Fließgeschwindigkeiten mit dem Ziel des Vermeidens von Strömungsgeräuschen,

Besondere Sorgfalt bei der Planung der Hydraulik reversibler Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen.

Eine funktionsfähige Regelungstechnik

Schnittstellenkoordination der regelungstechnischen Komponenten,

Kontrolle der Heizkurveneinstellung und Korrektur z. B. nach Bauaustrocknung und Nutzungserfahrungen.

Hierzu soll nochmals darauf hingewiesen werden, dass der Verzicht auf einen Pufferspeicher bei Permanentdurchströmung einzelner Heizkreise ohne Einzelraumtemperaturreglung (auch ein Verstoß in Wohngebäuden gegen die EnEV 2007) zwar zu einer verbesserten Jahresarbeitszahl führen kann, allerdings eine weitaus schlechtere Regelgüte der Flächenheizung zur Folge hat (Tabelle 2). Bild 9 verdeutlicht eine häufig anzutreffende hydraulische Schaltung für Heizung, Kühlung und Trinkwassererwärmung. Bild 10 zeigt ein hydraulisches und regeltechnisches Prinzipschema, wobei der Pufferspeicher in der Wärmepumpe integriert ist. Für die Raumkühlung reicht bei kleinen Kühllasten die Leistung einer Fußbodenkühlung aus (Bild 11). Für höhere Kühllasten empfiehlt sich die Deckenkühlung (Bild 12).

Fazit

Energieeffiziente Wärmepumpenanlagen der Gegenwart werden sich gegenüber den Systemen aus den 80er Jahren behaupten und durchsetzen, wenn nicht alte, vergessen geglaubte Fehler wiederholt werden. Das Betriebskosten sparende und der Umwelt dienliche Betreiben dieser Systeme ist an ein hohes Fachwissen der TGA-Fachingenieure und der Ausführenden gebunden. Es gilt dabei, Wirtschaftlichkeit nicht durch den Verzicht auf notwendige Komponenten erzielen zu wollen.

[1] Sanner, B. Wärmepumpen. Manuskript zu Vorträgen. 2000.

[2] Fort, K. Dynamisches Verhalten von Fußbodenheizsystemen.

17. Internatiopnaler velta Kongress. St. Christoph. 1995.

[3] - Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im

Wärmebereich (Erneuerbare – Energien - Wärmegesetz – EEWärmeG), Entwurf, Stand 18. Oktober 2007

[4] - VDI 4650. Blatt 1. Berechnung von Wärmepumpen –

Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresaufwandszahlen von Wärmepumpenanlagen. Beuth Verlag GmbH. 2003.

[5] - WP - Opt. Planung, Simulation und Optimierung von

Wärmepumpenheizungen. WPsoft GbR Dr. Stephan Weinmeister & Partner. Dresden.

[6] - DIN EN 15251: Eingangsparameter für das Raumklima zur

Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik;

Deutsche Fassung EN 15251:2007

[7] - Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen. FAWA 1996-2003.

Dr. Eicher + Pauli AG, Liestal. Hubacher Engineering,

Engelburg. Energieschweiz. 2004.

[8] Nani. Marco Qualitäts – Prüfung von Klein – Wärmepumpen mittels Norm-

und Feldmessungen. Teilprojekt Effizienzsteigerung. Norm- und Feldmonitoring. Bestandanlagen. Jahresbericht 2005. Bundesamt für Energie.

[9] Zogg, M. Effizientere Wärmepumpenheizungen durch Optimieren des

Gesamtsystems Vortrag an der 7. UAW-Tagung des Bundesamtes für Energie (BFE) vom 9.Mai 2000.

[10] B. Leven, Ökonomische und ökologische Bewertung der elektrischen

J. Neubarth, Wärmepumpe im Vergleich zu anderen Heizungssystemen.

C. Weber Universität Stuttgart. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung. 2001.

[11] Laue, H. J., Untersuchung von Praxisdaten zum Primärenergiebedarf und

Heidelck, R. den Treibhausgasemissionen von modernen Wärmepumpen

Endbericht erstellt im Auftrag des Fachinformationszentrums Karlsruhe. 1999.

[12] - Wärmepumpen – noch effizienter und leiser. Tagungsband zur

10. Tagung des Forschungsprogramms Umgebungswärme, Wärme-Kraft-Kopplung, Kälte des Bundesamts für Energie (BFE). 25. Juni 2003. Berner Fachhochschule HTA Burgdorf.

[13] Günther, M. Geothermische Nutzung des Untergrundes im Zusammenwirken mit thermisch aktiven Flächen. 24. Internationaler velta Kongress. St. Christoph. 2002.