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Wärmepumpe im Test
Endbericht der Agenda-Gruppe Lahr

Wärmepumpe im Test

In einem siebenjährigen Feldtest untersuchte die unabhängig arbeitende Lokale Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr (Schwarzwald) die Energieeffizienz von Wärmepumpen unter realistischen Betriebsbedingungen an insgesamt 52 Heiz- und 13 Warmwasser-Wärmepumpen in der Region Oberrhein.
Von Dr. Falk Auer und Herbert Schote (Lokale Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr [Schwarzwald])

(28. Juni 2014) Während erdgekoppelte Wärmepumpen das Energieeffizienzziel der Deutschen Energieagentur sowie des Erneuerbaren-Energien-Wärme-Gesetzes mehr oder weniger deutlich übertreffen, sind Luft-Wärmepumpen im Hinblick auf den Beitrag zum Klimaschutz kritisch zu bewerten. In allen Fällen gilt: Die Rahmenbedingungen müssen schon bei der Planung stimmen, und die Wärmepumpen selbst erfordern einen fachgerechten Einbau und Betrieb. Der Bericht geht auch auf Fehler ein und gibt Hinweise zur Qualitätsverbesserung.

Basisuntersuchung

Die Agenda-Gruppe begann den „Feldtest Wärmepumpen“ mit einer zweijährigen Basisuntersuchung. An dieser Phase 1 nahmen 33 Heiz- und fünf Warmwasser-Wärmepumpen teil. Keine war zu Messbeginn älter als vier Jahre. Im Gegensatz zu anderen Studien kannte keiner der elf Hersteller die Lage der Wärmepumpen und die Namen der Betreiber. Eine verdeckte Optimierung während der zweijährigen Anfangsphase konnte somit ausgeschlossen werden.

Selbstverständlich hatte die Gruppe offensichtliche Fehler nicht nur zu Beginn der Messungen, sondern auch während des Betriebes der Wärmepumpen beheben lassen. Darunter mehrere aufgetretene 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 und Fairness.

293 Kalte Quellen der Wärmepumpe

Die abgedruckte Grafik zeigt die Messergebnisse für die Heiz-Wärmepumpen. Aufgetragen ist die entscheidende Kenngröße für die Energieeffizienz von Wärmepumpen, nämlich die Jahresarbeitszahl (JAZ (orange)). Die Grafik unterscheidet die Kaltquellen Luft, Erde und Grundwasser sowie eine solar unterstützte Erdkollektor- und eine Abwasser-Wärmepumpe. Die Höhe der braunen Balken stellt die Variation der Jahresarbeitszahlen in Phase 1 dar (Basisuntersuchung); die Querstriche in den Balken zeigen die Mittelwerte an. Sie sind vergleichbar mit einem Feldtest des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE: blauer Balken). Bis auf drei erdgekoppelte Wärmepumpen mit Werten zwischen JAZ = 4,0 und 4,4 waren die Ergebnisse der Basisuntersuchung mäßig bis schlecht. Wegen dieser Energieeffizienz-Mängel entschloss sich die Agenda-Gruppe zu einer Fortsetzung des Feldtests im Rahmen einer Phase 2 mit dem Titel „Innovative Wärmepumpensysteme“.

Innovationen

Die abgedruckte Grafik zeigt ebenfalls die Ergebnisse von Phase 2 (grün), wobei die Höhe der Balken wiederum die Variationen der Jahresarbeitszahlen darstellen:

  • Luft-Wärmepumpen: Ein großes Feld liegt nach wie vor bei Jahresarbeitszahlen zwischen 2,0 (halbe Stromheizung) und 2,8.
  • Grundwasser-Wärmepumpen: In der Phase 1 kamen sie bei Einfamilienhäusern wegen zu geringer Bohrlochdurchmesser und zu hoher Leistung der Grundwasser-Förderpumpe im Mittel nur auf eine JAZ von 3,1. Bei Groß-Wärmepumpen liegen bei der Förderpumpe günstigere Verhältnisse vor, weshalb Jahresarbeitszahlen von mehr als 4,0 möglich sind.
  • Erdreich und Abwasser-Wärmepumpen: Da Erdsonden- und Erdkollektor-Wärmepumpen bei fachgerechter Planung und Ausführung ohne weiteres eine Jahresarbeitszahl von 4,0 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 JAZ = 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 Rahmenbedingungen das Energieeffizienzziel.
  • Erdgas-Wärmepumpen (gelber Balken): Die Agenda-Gruppe erfasste auch die Energieeffizienz von drei Erdgas-Motor- beziehungsweise 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 = 2,0 und 3,0. Die Erdgas-Wärmepumpen sind damit bezüglich des Beitrages zum Klimaschutz vergleichbar oder schlechter als moderne Erdgas- Brennwertkessel.

293 Installateur

Da kommt Freude auf: Eine Erdsonden-Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von mehr als 4.

Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung

Es gibt erhebliche 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. Eine angepasste Dimensionierung ist erforderlich, da eine zu hohe Nennleistung zu einem ungünstigen Taktbetrieb und eine zu geringe Leistung zum vermehrten Einsatz des Notheizstabes führt. Der Einsatz von Wärmepumpen mit variabler Verdichterleistung ist empfehlenswert.
  • Komponenten: Bei Luft-WP den Wärmetauscher größer wählen und Schallprobleme berücksichtigen. Bei Grundwasser-WP ausreichend großen Durchmesser der Förder- und Schluckbrunnen vorsehen, um geringere Leistung der Förderpumpe zu ermöglichen. Bei Erdreich-WP die Sondenlänge großzügig bemessen und keine Korb- oder Grabenkollektoren einsetzen, weil das Volumen des abzukühlenden Erdreichs zu gering ist.
  • Speicher: Heizungspufferspeicher möglichst vermeiden (bei Fußbodenheizung auch gar nicht notwendig); Kombispeicher (Heizung und Brauchwasser) sind kritisch zu bewerten, weil wegen des integrierten Warmwasserboilers die mittlere Temperatur des Speichers zu hoch ist. Bei einer solarunterstützten Wärmepumpenanlage gilt diese Aussage jedoch nicht.
  • Wärmesenke: Ein sinnvoller Einsatz von Wärmepumpen im unsanierten Altbau ohne Flächenheizungen ist nicht möglich! Die Vorlauftemperaturen dürfen nicht mehr als 35 °C betragen, was klassische Heizkörper in der Praxis ausschließt.

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 sowie die Nachtabsenkung nicht zu lang und nicht zu tief einstellen.
  • Notheizstab per Hand ausschalten, um kontrollierten Betrieb zu ermöglichen.
  • Einweisung des Nutzers durch den Handwerker ist erforderlich und auch bei Wärmepumpen ist eine regelmäßige Inspektion notwendig.     
Jahresarbeitszahl

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.

Laut der Deutschen Energieagentur (dena) in Berlin, des Energieversorgers RWE in Essen und des Erneuerbaren-Energien-Wärme-Gesetzes (EEWärmeG) 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.