Wärmepumpen in Mehrfamiliengebäuden

Arbeitszahl =

Obwohl die Wärme mittels Wärmepumpe bei den Feldmessungen jeweils aus dem Grundwasser gewonnen wurde und eine Warmwassertemperatur von 60 °C bei allen drei Objekten gewährleistet wurde, gibt es signifikante Unterschiede in der Arbeitszahl. Diese reicht von 2,7 in einem „Minergie-P“-Gebäude bis zu 1,3 in einem sanierten Objekt. Bei beiden Varianten handelt es sich um Systeme mit einer Zirkulationsleitung als Warmhaltung. Dies zeigt, dass die Umsetzung und richtige Wartung der Systeme ebenso entscheidend ist wie die richtige Planung. Aus den Feldmessungen ist ersichtlich, dass die folgenden Punkte großen Einfluss auf die Arbeitszahl bei Zirkulationssystemen besitzen:

Systembeschreibungen

Für die Untersuchungen wurde jeweils eine typische Dimensio­nie­rung der Brauchwarmwasseranlage durchgeführt. Neben der Anlagenleistung und der Speichergröße ging dies bis zu den entsprechenden Verteilleitungsquerschnitten und Isolationen. Für die Simulationen wurde jeweils angenommen, dass eine Warmwassertemperatur von 60 °C jederzeit am Speicherkopf verfügbar sein muss, um Hygiene und Komfort zu garantieren.

Zirkulationssysteme

Warmes Wasser aus dem Speicherkopf zirkuliert kontinuierlich durch das gesamte Verteilnetz und erreicht jeden Wohnungsanschluss, bevor es in einer separaten Zirkulationsleitung im oberen Drittel des Speichers rückgeführt wird. Es gibt somit kein stagnierendes Wasser im Verteilnetz. Die hygienische Anforderung von einer thermischen Desinfektion des BWW kann problemlos erfüllt werden.

Zirkulationswärmepumpe

Der Zirkulationsrücklauf wird bei diesem System nicht in den Speicher geleitet, sondern durchströmt eine Zirkulationswärmepumpe. Diese erwärmt das abgekühlte BWW aus dem Verteilnetz, um es danach erneut der Vorlaufleitung zuzuführen. Eine Durchmischung des Speichers wird damit verhindert.

Es kann eine modulierende Wärmepumpe oder eine Zirkulationswärmepumpe mit konstanter Leistung verwendet werden. Um Takten zu vermindern, wird dann ein kleiner Zirkulationspufferspeicher benötigt (z. B. Wärmepumpenboiler).

Elektrische Begleitheizung

Im Verteilnetz ist keine rückführende Zirkulationsleitung vorhanden. Stattdessen sind selbstregulierende, elektrische Heizbänder an allen Warmwasserleitungen angebracht, welche das stagnierende Wasser warmhalten.

Boilerladung mittels

Nahwärmenetz:

Eine zentrale Wärmepumpe liefert die Energie für die Raumheizung der Gebäude über ein Nahwärmenetz. Bei Anforderung erfolgt eine Ladung der dezentral in jedem Gebäude↓

befindlichen BWW-Speicher. Diese Ladung erfolgt durch ein Hochfahren der Temperatur im gesamten Nahwärmenetz, um so das Brauchwarmwasser über die innenliegenden Wärmetauscher der BWW-Speicher zu erwärmen. Es wurden zwei Betriebsvarian-↓

ten berechnet. Bei Variante 1 wird die Raumheizung parallel zur Speicherladung be­trie­ben, während Variante 2 die Raumheizung über die Lade­dauer nicht mit Energie ver­sorgt (bessere Effizienz).

Vergleich mittels
Simulationen

Die Simulationen wurden für Objektgrößen von acht Wohnun­gen (ein Gebäude) bis zu knapp 200 Wohnungen (acht Gebäude) durchgeführt. Obwohl sich absolut gesehen durchaus unterschiedliche Effizienzen für die Warmwasserbereitung ergeben, bleibt die Rangfolge der einzelnen Varianten dieselbe. Die Ergebnisse im Folgenden be­ziehen sich deshalb, sofern nicht anders bezeichnet, auf eine mittlere Variante mit ca. 100 Woh­nungen in vier Gebäuden.

Eine wichtige Frage im Neubau stellt sich typischerweise in Bezug auf die Installationskosten eines Systems. In Bild 2 sind die Kosten der verschiedenen Systemvarianten für unterschiedliche Gebäudegrößen angegeben. Die Kosten sind dabei jeweils auf die produzierte Warmwassermenge in 20 Jahren bezogen. Die hellen Balken in der Grafik, die auf den dunkleren Balken liegen beziehen sich dabei auf dezentrale Systeme, bei denen eine zentrale Wärmepumpe mehrere Gebäude versorgt, und die dunklen Balken beziehen sich auf dezentrale Systeme mit einem Wärmeerzeuger pro Gebäude.

Das Nahwärmenetz ist, wie bereits beschreiben, in zwei Va­rian­ten dargestellt. In der ersten Variante, wenn der Heizbetrieb während der Brauchwarmwassererzeugung weitergeführt wird, sind die In­ves­ti­tions­kos­ten niedrig. Im zweiten Fall, wenn die Heizung während der Brauchwarmwasserladung abgestellt ist, entstehen höhere Investitionskosten, allerdings wird sig­ni­fikant Energie eingespart, wie wir später im Artikel noch sehen werden.

Hauptverursacher für den Kos­ten­unter­schied ist die größere Wärmepumpe in Variante 2, die durch die kürzeren Lauf­zeiten bedingt wird. Klar erkennbar ist auch, dass mit steigender Größe des Objekts die relativen In­ves­ti­tions­kos­ten merklich sinken. Neben dem Nahwärmenetz ist auch die elektrische Begleitheizung sehr kos­teneffizient in der Installation.

Brauchwarmwasser mittels Nahwärmenetz nicht empfehlenswert

Die in Bild 3 dargestellten Arbeitszahlen zeigen massive Unterschiede für die erreichbare Effizienz eines Systems. Zu berücksichtigen ist dabei, dass es sich jeweils um ein optimal ausgelegtes System handelt. In der Praxis können durch Installations- und Einstellungsfehler weitere Abschläge erwartet werden.

Die schlechteste Effizienz wird klar mit dem Nahwärmenetz erreicht. In Variante 1 wird eine Arbeitszahl von 1 nur knapp überschritten, aber auch Variante 2 ist nicht signifikant besser. Der Grund hierfür liegt darin, dass durch das Aufwärmen des Nahwärmenetzes relativ viel Heizenergie bei einer zu hohen Vorlauftemperatur erzeugt wurde (Exergieverlust), was sich negativ auf die Wärmepumpeneffizienz auswirkt. In der Praxis werden noch wesentlich schlechtere Werte erwartet, da sich der übliche Einbau von Pufferspeichern mit zusätzlich 20 bis 30 % höherem Energieverbrauch auswirkt. Das System reagiert auch sehr empfindlich auf eine Vergrößerung des Verteilnetzes bei weiter auseinanderliegenden Gebäuden. Aus diesem Grund ist diese Variante der Warm­wassererzeugung nicht em­pfehlenswert und energetisch nicht zu verantworten.

Zirkulationssysteme und elektrische Begleitheizungen zeigen in etwa die gleiche Arbeitszahl. Begleitheizungen profitieren von einer kürzeren Leitungslänge (kein Rücklauf) und die Zirkulationssysteme von der höheren Effizienz der Wärmepumpe im Vergleich zur Elektroheizung. Negativ bei Zirkulationssystemen wirkt sich die Durchmischung des Warmwasserspeichers aus. Diese kann bei optimaler Auslegung des Systems (minimaler Zirkulationsvolumenstrom) und entsprechenden Speichereinbauten zur Beruhigung des Speichers unterdrückt werden. In der Praxis wurden leider oft Systeme mit falschen Speichern (ohne Einbauten) und zu hohen Zirkulationsvolumenströmen beobachtet. Die entsprechenden Effizienzeinbußen liegen hierbei im Bereich von 20 %. Bild 4 zeigt die Auswirkung der Rücklauftemperatur auf die Effizienz der Wärmepumpe. Es ist klar zu sehen, dass hohe Rücklauftemperaturen, durch eine Durchmischung des Speichers, zu tieferen Arbeitszahlen führen. Die Empfehlung für die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf der Zirkulation liegt bei 10 °C.

Am effizientesten zeigen sich Systeme mit einer dezidierten Zirkulationswärmepumpe, die die Speicherschichtung erhalten und sehr fehlertolerant in der Installation sind. Allerdings bedeuten solche Systeme auch die höchsten Investitionskosten und sind somit großen Überbauungen vorbehalten.

Fazit

Wärmepumpen sind für die Warmwasserbereitstellung in Mehrfamiliengebäuden grund­sätz­lich geeignet. Die An­wen­dung in Kombination mit Nah­wärmenetzen und dezen­tralen Warmwasserspeichern ist hingegen aus energetischer Sicht abzulehnen. Zirkulationssysteme und auch elektrische Begleitheizungen können in Kombination mit Wärmepumpen zu guten Arbeitszahlen bei der Brauch­warm­wasser­be­rei­tung führen. Die Unterschiede liegen in der Praxis vor allem bei der Güte der Installation und den Einstellungen des Systems. Zirku­la­tionssysteme mit dezidierten Zirkulationswärmepumpen sind vor allem bei größeren Anlagen zu empfehlen, da sie unempfind­lich auf lange Leitungen und In­s­­tal­la­tions­feh­ler sind und die beste Effizienz liefern.

Detaillierte Informationen sind im eingangs erwähnten Leitfaden zur Warmwassererzeugung unter www.ntb.ch/ies in der Rubrik Publikationen zu finden.