Ergebnisse (Stand: September 2018)

Auf der Seite Projektinhalt wird der aktualisierte Arbeits- und Zeitplan vorgestellt und das Monitoring Konzept im Detail erläutert. Erste Zwischenergebnisse zu den beiden im Projektrahmen adressierten Forschungsfragen werden nachfolgend vorgestellt:

Forschungsfrage 1: "Welche Effizienzwerte erreichen elektrisch angetriebene Wärmepumpen bei unterschiedlich sanierten Bestandsgebäuden im Feld?"

Forschungsfrage 2: "Wie hoch ist das Lastverschiebungspotenzial elektrisch angetriebener Wärmepumpen im Feld und welche Rahmenbedingungen sind erforderlich?"

Zwischenergebnisse zur Forschungsfrage 1

Die auf dem Teststand gemessene Leistungszahl (COP) gibt Auskunft über die prinzipielle Effizienz einer Wärmepumpe bei definierten Quellen- und Senkentemperaturen. Die Effizienz ändert sich mit der Änderung dieser Temperaturpaarung. Eine geringere Temperaturdifferenz geht mit höherer Effizienz, eine größere Temperaturdifferenz mit geringerer Effizienz einher. Mit der Leistungszahl wird die Güte des Gerätes, vorrangig basierend auf den eingesetzten Komponenten des Kältekreises sowie der internen Regelung, beschrieben. Die Effizienz einer Wärmepumpenanlage im realen Betrieb hängt neben der Leistungszahl von den tatsächlich eintretenden Betriebsbedingungen in Form von Wärmequellentemperaturen und den erforderlichen Temperaturen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung ab. Damit ergibt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Faktoren, die sich auf die reale Effizienz (Arbeitszahl) einer Wärmepumpenanlage im Feld auswirken. Diese reichen bspw. von der Dimensionierung der Wärmequellenanlage sowie der Raumwärmeübergabesysteme bis hin zu den Komfortansprüchen beim Trinkwarmwasser. Auch der Betrieb zusätzlicher Wärmeerzeuger, wie Elektroheizstäbe oder fossil betriebene Kessel, wirkt sich auf sowohl auf die Wärmepumpen- als auch die Gesamtsystemeffizienz aus.

Da in diesem Projekt ältere Einfamilienhäuser mit unterschiedlichen Sanierungsstandards im Fokus stehen, wird neben der messtechnischen Untersuchung der Wärmepumpen auch eine Bewertung der Gebäude vorgenommen. Im Zuge dessen sollen die durchgeführten Sanierungsmaßnahmen ermittelt und analysiert werden, um den Zusammenhang zwischen Heizlast, Heizkreistemperaturen und Effizienz näher zu beleuchten. Die Recherche und Analyse der Gebäudedaten ist noch nicht abgeschlossen und kann daher hier noch nicht berücksichtigt werden.

Die nachfolgenden Zwischenergebnisse beziehen sich auf den einjährigen Auswertungszeitraum Juli 2017 bis Juni 2018. Dabei wurden alle Anlagen berücksichtigt, die über mindestens 11 Messmonate verfügen, nicht smart angesteuert werden (Forschungsfrage 2) und deren Arbeitszahl auf Basis der nachfolgend vorgestellten Bilanzgrenze ermittelt werden konnten. Letztgenannter Aspekt schließt Anlagen mit zusätzlicher Brauchwasser-Wärmepumpe aus, da bei solchen Systemen aufgrund des innenliegenden Verflüssigers die thermische Energie zur Beladung des Trinkwasserspeichers nicht gemessen wird. Letztlich fließen die Messdaten von 19 Außenluft- und 11 Erdreich-Wärmepumpen in die hier vorgesellten Analysen ein. Im Fokus der Auswertung stehen die Arbeitszahlen und die wichtigsten direkt quantifizierbaren Effizienzeinflüsse: die von der Wärmepumpe bereitgestellten Energien und Temperaturniveaus zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung sowie die Energieverbräuche der Elektro-Heizstäbe.

Die Bilanzgrenze zur Ermittlung der Jahresarbeitszahl verdeutlicht die nachfolgende Grafik:.

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vereinfachtes Schema eines Wärmepumpensystems mit Bilanzgrenzen


Die von der Wärmepumpe bereitgestellte thermische Energie wird direkt nach der Wärmepumpe und damit vor etwaigem Speicher gemessen. Die vom Elektroheizstab bereitgestellte thermische Energie ist ebenfalls berücksichtigt. Neben dem Elektroenergiebezug des Verdichters der Wärmepumpe werden auch die Steuerung sowie Wärmequellenantriebe (Ventilator oder Solepumpe) und der Elektroheizstab berücksichtigt.

Außenluft-Wärmepumpen

Die Abbildung 1 charakterisiert die Messobjekte im Hinblick auf Baualtersklasse (BAK) der Gebäude sowie installiertem Raumwärmeübergabesystem. Bezüglich des Baujahres sind die Messobjekte relativ gleichmäßig zwischen den Jahren 1919 und 2001 verteilt und nur in der BAK 1958 bis 1968 etwas unter- bzw. in der BAK 1984 bis 1994 etwas überdurchschnittlich vertreten. Wie eingangs erläutert, unterscheiden sich die Sanierungsstandards und werden derzeit noch recherchiert bzw. analysiert. Die ebenfalls dargestellten Wärmeübergabesysteme zeigen, dass sich bei den untersuchten Anlagen unterschiedliche Lösungen über alle Baualtersklassen verteilen. Bezüglich der Mischsysteme werden die Flächenanteile der einzelnen Systeme derzeit noch näher untersucht.

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Abbildung 1: Anzahl der Messobjekte und Art der Raumwärmeübergabesysteme pro Baualtersklasse


Die Effizienzwerte und wichtigsten Einflussfaktoren werden anhand der Abbildung 2 für jede der bislang untersuchten Anlage näher erläutert. Ergänzend zu den Ergebnissen der Einzelanlagen werden die Mittelwerte auf der rechten Seite gezeigt. Neben den Arbeitszahlen, dargestellt als hellblaue Säulen, werden die Heizkreismitteltemperaturen (Mittel aus Vor- und Rücklauf der Wärmepumpe), als energetisch gewichteter Mittelwert über den gesamten Auswertungszeitraum (rote Punkte) sowie die höchsten Heizkreisvorlauftemperaturen der Wärmepumpe (braune Punkte), als höchster Tagesmittelwert, gezeigt. Die Maximalwerte beziehen sich auf Tage, an denen keine Beeinflussung durch etwaigen Betrieb von zusätzlichen Wärmeerzeugern vorhanden ist. Die blauen Punkte stellen die Speicherlademitteltemperatur (Mittel aus Vor- und Rücklauf) zur Erwärmung des Trinkwassers, als energetisch gewichteter Mittelwert über die gesamte Auswertungsperiode dar. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf die Beschriftung dieser Temperaturen für die Einzelanlagen verzichtet. Im unteren Bereich der Grafik werden die energetische Verteilung der von der Wärmepumpe bereitgestellten thermischen Energie zur Raumheizung (rot) und Trinkwassererwärmung (blau) sowie der benötigten Elektroenergie für Heizstab (schwarz) und Verdichter (grau) als Säulen dargestellt. Oberhalb der Säulen zeigen die farbigen Punkte technische Eigenschaften der Anlage auf: Einbindung zusätzlicher Wärmeerzeuger, wie fossile Kessel (grau) oder Solarthermieanlagen (orange) sowie die eingesetzten Raumwärmeübergabesysteme. Reine Fußbodenheizsysteme sind weiß und reine Radiatorensysteme sind schwarz dargestellt. Bei den nicht extra gekennzeichneten Anlagen sind Mischsysteme installiert.

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Abbildung 2: Messergebnisse und Angaben zu den Eigenschaften der 19 Außenluft-Wärmepumpen


Die ermittelten mittleren Heizkreistemperaturen von 36 °C lassen zuerst nicht vermuten, dass die Wärmepumpen in älteren Gebäuden betrieben werden. Dies wird erst durch die maximalen Vorlauftemperaturen deutlich, die im Mittel aller Anlagen bei 43 °C liegt. Betrachtet man die Anlagen einzeln, so zeigen sich deutliche Unterschiede. Die Bandbreite der maximalen Vorlauftemperaturen reicht von 34 °C für eine Anlage mit gemischtem Wärmeübergabesystem bis 54 °C für eine Anlage, die ausschließlich über Radiatoren verfügt. Dass Radiatoren auch mit ungewöhnlich geringen Temperaturen betrieben, zeigen die Anlagen 6 (max. 42 °C), 14 (max. 41 °C) und 18 (max. 46 °C). Die Fußbodenheizungen werden überwiegend mit üblichen, maximalen Vorlauftemperaturen zwischen 35 °C und 37 °C betrieben. Einzig Anlage 11, mit außergewöhnlich hohen Werten von bis 45 °C, sticht dabei hervor.

Der Zusammenhang zwischen höherer Arbeitszahl bei geringerer Heizkreistemperatur lässt sich vor allem beim Vergleich der Ergebnisse der Anlagen links in der Grafik (geringe JAZ) und denen rechts in der Grafik (hohe JAZ) nachvollziehen. So liegen die AZ bei Anlage 1 bis 5, die bei mittleren Heizkreistemperaturen zwischen 39 °C und 41 °C betrieben werden, im Bereich von 2,6 bis 2,8. Die Anlagen 13 bis 19 erreichen mit ihren niedrigeren mittleren Heizkreistemperaturen zwischen 30 °C und 35 °C JAZ im Bereich von 3,2 bis 4,1.

Die Temperaturen zur Erwärmung des Trinkwassers liegen im Mittel bei 47 °C und reichen von 42 °C bis 53 °C. Mit geringeren Heizkreistemperaturen gewinnt damit der Anteil der Trinkwassererwärmung an Einfluss auf die Gesamtarbeitszahl. Bei Anlage 8 wird bspw. die Fußbodenheizung bei 32°C betrieben und stellt 25 % der thermischen Energie auf hohem Temperaturniveau für die Trinkwassererwärmung bereit. Die Anlage erreicht eine JAZ von 3,0 und liegt damit im Mittelfeld. Bei der Anlage 19 beträgt der Anteil zur Trinkwassererwärmung lediglich 9 %. Dies und die gleichzeitig sehr geringen Temperaturen, sowohl zur Raumheizung und als auch zur Trinkwassererwärmung, tragen erheblich dazu bei, dass für diese Anlage die mit Abstand höchste JAZ (4,1) ermittelt wurde.

Als weitere Einflussgröße wurde der Betrieb des Elektroheizstabes ausgewertet. Bei 6 der 15 monoenergetisch betriebenen Anlagen der Heizstab innerhalb der Auswertungsperiode verwendet, bei den anderen war er nicht in Betrieb. Diese Anzahl scheint unter Berücksichtigung einer längeren Periode mit sehr tiefen Außenlufttemperaturen Ende Februar 2018 sehr gering. Dies wird jedoch dadurch relativiert, dass es sich bei den 19 Anlagen um 10 mittels Inverter und 2 mittels Verdichterstufen geregelte Maschinen handelt, die auch auf Normaußenlufttemperatur ausgelegt werden können. Signifikanter Heizstabbetrieb ist bei den Anlagen 12 (23 % bezogen auf Verdichterenergie) und 17 (7 % bezogen auf Verdichterenergie) zu verzeichnen. Bei Anlage 12 tritt die Heizstabarbeit in etwa zu gleichen Teilen für Raumheizung und Trinkwassererwärmung auf und zeigt eine deutliche Relation zur Außenlufttemperatur unterhalb von 1 °C auf. Diese Heizstabarbeit ist auf eine fehlerhafte Parametrierung der Regelung zurückzuführen. Bei Anlage 17 werden 93 % der Heizstabarbeit für die wöchentliche Trinkwassererwärmung zur Legionellenvermeidung eingesetzt, die übrigen 7 % für die Raumheizung unterhalb von Außenlufttemperaturen von -8 °C.


Erdreich-Wärmepumpen

Die in dieser Zwischenauswertung berücksichtigten Wärmepumpen sind in Gebäuden der Baujahre 1850 bis 2001 installiert. Die Abbildung 3 verdeutlicht, dass sich die Messobjekte relativ konstant über die Baualtersklassen verteilen. Bezüglich der Wärmeübergabesysteme sind in den jüngeren Gebäuden eher Mischsysteme, in den älteren Gebäuden tendenziell eher reine Fußbodenheiz- sowie reine Radiatorheizsysteme installiert sind.

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Abbildung 3: Anzahl der Messobjekte und Art der Raumwärmeübergabesysteme pro Baualtersklasse


Die Abbildung 4 ist nahezu identisch aufgebaut wie die Abbildung 2, deren Inhalte ausführlich im Kapitel Außenluft-Wärmepumpen beschrieben wurden. Die Unterschiede bestehen lediglich darin, dass die JAZ-Werte als grüne Säulen dargestellt sind, dass drei Wärmepumpen durch Solarthermieanlagen hinsichtlich Trinkwassererwärmung unterstützt werden und dass zusätzlich die über den Messzeitraum energetisch gewichteten, mittleren Soletemperaturen (Mittelwert aus Vor- und Rücklauf) als schwarze Punkte aufgetragen sind. Alle untersuchten Erdreich-Wärmepumpen sind mit Erdwärmesonden ausgestattet. Anlage 6 verfügt nicht über einen Elektroheizstab und bei den Anlagen 5 sowie 11 können die Temperaturen zur Trinkwassererwärmung nicht gemessen werden, da die in diesen Fällen kompakten Systeme keinen Einbau entsprechender Messtechnik erlaubt haben.

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Abbildung 4: Messergebnisse und Angaben zu den Eigenschaften der 11 Erdreich-Wärmepumpen


Die Bandbreite der JAZ reicht von 1,8 bis 4,6, bei einem Mittelwert von 3,7. Die mittleren Temperaturen zur Raumheizung (38 °C) und Trinkwassererwärmung (48 °C) sowie die Energieverteilung (18 % für Trinkwarmwasser) zeigen, dass die Erdreich-Wärmepumpen im Vergleich zu den Außenluft-Wärmepumpen leichte Effizienz-Nachteile im Bereich der Wärmesenke haben. Diese würden auch dann bestehen, wenn Anlage 1 als Ausreiser nicht in die Mittelwertbildung einbezogen werden würde. Ein genereller Vorteil der Erdreich-Wärmepumpen liegt in den höheren Wärmequellentemperaturen. Ein Vorteil, der sich vor allem in der Kernheizperiode bemerkbar macht. Über den gesamt Messzeitraum hinweg wurden mittlere Soletemperaturen zwischen 2,8 °C und 5,4 °C gemessen, wobei der Mittelwert bei 4,2 °C lag. Dass sich die Wärmequellentemperaturen nicht direkt in den JAZ widerspiegeln, bestätigt, dass sich im realen Betrieb eine Vielzahl von Effizienzeinflüssen überlagern. Einzig zu den Heizkreistemperaturen ist eine relativ deutliche Korrelation zu erkennen. Stellvertretend hierfür kann auf die Anlage 11 mit einer JAZ von 4,1 bei einer mittleren Heizkreistemperatur (nur Fußbodenheizung) von 31 °C sowie die Anlage 1 mit einer JAZ von 1,8 bei mittleren Heizkreistemperauren (nur Radiatoren) von 54 °C verwiesen werden. Bessere Beispiele im Hinblick auf die Effizienz beim Einsatz von Radiatoren sind die Anlagen 4 (JAZ 3,7 bei 42 °C mittlerer Heizkreistemperatur) und 6 (JAZ 3,8 bei 43 °C mittlerer Heizkreistemperatur). Eine bemerkenswert geringe JAZ weist die Anlage 3 auf. Obwohl bei diesem System der mit 30 % höchste Energieanteil zur Trinkwassererwärmung ermittelt wurde, sollten die mittleren Heizkreistemperaturen von nur 27 °C zu einer dennoch erheblich besseren JAZ führen. Bei dieser Anlage ist eine tiefergehende Fehleranalyse erforderlich. Elektrische Heizstabarbeit wurde mit 1% und 4% an der Verdichterarbeit bei 2 der 10 mit Heizstab ausgestatten Systeme detektiert.

Fazit und Ausblick

Die Ergebnisse dieser Zwischenauswertung für den Messzeitraum Juli 2017 bis Juni 2018 zeigen, dass Wärmepumpen im Hinblick auf CO2-Emissionen und Primärenergiebedarf (ökologische Bewertung für Einzelsysteme u.a. unter „Live“-Messdaten) eine zweckmäßige Option für den EFH-Bestandsbereich sein können. Gleichzeitig wird deutlich, dass die Wärmepumpen bezüglich der erforderlichen Heizkreistemperaturen sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Daher steht neben der reinen Effizienzanalyse auch eine Bewertung dieser Betriebsbedingungen im Fokus des Projektes. Hierfür werden derzeit die Gebäude bzw.- Sanierungsmaßnahmen und die Raumwärmeübergabesysteme näher untersucht. Damit soll die Basis geschaffen werden, den Wärmepumpenbetrieb in der Auswerteperiode Juli 2018 bis Juni 2019 umfassend zu bewerten. Die Effizienzanalyse soll darüber hinaus u.a. Einflüsse wie die Leistungszahlen, die Hilfsenergieverbräuche oder die Anschalthäufigkeiten berücksichtigen.



Zwischenergebnisse zur Forschungsfrage 2

Zwischenergebnisse erscheinen in Kürze an dieser Stelle