Effizienter als gedacht: Wärmepumpe auch im Altbau zuverlässig

Luftwärmepumpe im Altbau: Gemessen werden nicht nur die Effizienz, sondern auch die Schallemissionen an der Außenlufteinheit einer WärmepumpeFoto: Fraunhofer ISE

Aktuell forscht das Fraunhofer ISE gemeinsam mit neun Wärmepumpenherstellen und zwei Energieversorgern im Projekt "WP-QS im Bestand", das noch bis Ende 2024 läuft. Schwerpunkte neben Effizienz und Betriebsverhalten ist die Messung der Schallbelastung durch Luftwärmepumpen sowie Untersuchungen zu bivalenten Systemen und Photovoltaik-Eigenstromnutzung. Inzwischen ist die finale einjährige Messperiode gestartet – im Bereich der Effizienz- und Schallmessung liegen erste Zwischenergebnisse vor. Diese bestätigen den effizienten Betrieb der Wärmepumpen auch im Altbau und belegen die langfristigen Klimavorteile gegenüber Gasheizungen. Damit liefert das aktuelle Forschungsprojekt ein gutes Update zu einem 2019 bereits abgeschlossenen Feldtest mit Wärmepumpen im Altbau (siehe unser Bericht weiter unten).

Wie sieht der Wärmepumpenfeldtest aus? Bis Ende 2024 werden rund 75 Wärmepumpen in Einfamilienhäusern der Baujahre 1826 bis 2001 messtechnisch untersucht. Die Effizienzanalyse betrifft die einjährige Messperiode von September 2022 bis August 2023.

Erste Ergebnisse belegen Effizienz der Wärmepumpen und Klimavorteile
Die im Feldtest ausgewerteten 22 Außenluft-Wärmepumpen erreichen eine mittlere Jahresarbeitszahl (JAZ, kombinierte Erzeugereffizienz für Raumheizung und Trinkwassererwärmung) von 3,3, bei einer Bandbreite von 2,4 bis 4,0. Die JAZ der zehn mit Erdwärmesonden ausgestatteten Erdreich-Wärmepumpen reichen von 3,6 bis 5,2.

Verglichen mit einem Gaskessel als Referenzwärmeerzeuger würden die Einsparungen an Treibhausgasemissionen̶ unter Berücksichtigung der geringsten und höchsten gemessenen JAZ̶ zwischen 18 und 62 Prozent liegen. Die meisten der untersuchten Anlagen wurden um das Jahr 2020 installiert. Im Jahr 2030, etwa zum Zeitpunkt der mittleren Nutzungsdauer dieser Wärmepumpen, werden die Einsparungen zwischen 58 und 80 Prozent sowie 77 und 89 Prozent liegen, je nachdem, welcher Anteil erneuerbarer Energien im Strommix dann erreicht ist.

Auch Lärmbelastung bei Luftwärmepumpen wird untersucht
Im Rahmen der Schallmessung für Außenluft-Wärmepumpen wurden fünf Anlagen auch hinsichtlich einer möglichen Lärmbelastung der Umgebung vermessen. Dabei kommen jeweils zwei Mikrofone zum Einsatz: eines nahe der Wärmepumpe, um deren Schallemissionen zu erfassen, ein weiteres in einiger Entfernung, um den Umgebungsschall zu messen. Aus den Messwerten nahe der Wärmepumpe wird anschließend mittels einer bei der Inbetriebnahme erfassten Schallübertragungsfunktion die Lärmbelastung am nächstgelegenen Fenster des jeweiligen Nachbarhauses berechnet. Liegt diese über dem Schallpegel der Umgebung, werden die geltenden Grenzwerte nach der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm zur Bewertung der Lärmbelastung herangezogen. Andernfalls ist davon auszugehen, dass die Wärmepumpe dort nicht zu hören ist.

Die Ergebnisse werden stark durch den Aufstellort und die Umgebung der Wärmepumpe beeinflusst. Bei einem Einfamilienhaus nahe einer viel befahrenen Umgehungsstraße sind die Umgebungsgeräusche so dominant, dass die Wärmepumpe beim Nachbargebäude gar nicht zu hören ist. Im Fall einer Wärmepumpe in einer eng bebauten, ruhigen Reihenhaussiedlung zeigte die Schallmessung auf dem Nachbargrundstück erhöhte Werte. Da nachts der zulässige Grenzwert mehrfach überschritten wurde, wurde der Betrieb dieser spezifischen Wärmepumpe so angepasst, dass die Außenlufteinheit nachts nur wenig arbeitet – im Untersuchungszeitraum kam das lediglich an 72 Stunden im Jahr vor.

Bei den übrigen Anlagen werden die Grenzwerte der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm tagsüber nicht überschritten. Bei einer Anlage werden die Grenzen nachts um bis zu 5dB(A) überschritten – hier könnte durch lärmmindernde Maßnahmen (bspw. Schallschutzhaube) Abhilfe geschaffen werden.

--> Schallschutz-Tipps der Fraunhofer Akustik-Experten: immer die planerischen Möglichkeiten bei der Aufstellung von Luftwärmepumpen ausnutzen und eine Wärmepumpe wählen, die auch im Bereich der Schallemissionen dem Stand der Technik entspricht

Und wie geht’s weiter mit der Wärmepumpen-Forschung?
Bis Ende 2024 werden adie Detailanalysen der Photovoltaik-Wärmepumpen-Kombinationen und der bivalenten Systeme (Wärmepumpe und Heizkessel) vorangetrieben sowie die erforderlichen Stammdaten zu den Messobjekten im Detail bewertet. Ende 2024 soll dann eine Gesamtauswertung aller Wärmepumpen erstellt werden.

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Artikel aus Mai 2020 zum Projekt "WPsmart im Bestand" des Fraunhofer ISE

Fast jeder zweite Neubau heizt inzwischen mit einer Wärmepumpe. Klar ist: In neuen Häusern sorgen sie effizient und damit ökologisch für Wärme. Ob sie aber auch in älteren Häusern genügend Wärme liefern und Kohlendioxid-Emissionen einsparen, dazu gab es lange keine systematisch ermittelten Erkenntnisse.

Forschungsprojekt für Wärmepumpe im Altbau - nur selten Störungen
Die Wärmepumpen im ISE-Forschungsprojekt lieferten die gewünschte Wärme zuverlässig, es gab kaum Betriebsstörungen - das ist das positive Ergebnis. Offensichtliche Fehler bei der Installation oder Parametrierung der Regler traten im Vergleich zu früheren Feldtests deutlich seltener auf. Dies ist auch auf den Zuwachs von Know-how bei Herstellern und Installateuren in den letzten zehn bis 15 Jahren zurückzuführen. Verbesserungspotenzial gibt es dennoch: etwa durch weitere Qualitätssicherungsmaßnahmen bei Installation und Betrieb, unterstützt durch Möglichkeiten der Digitalisierung.

Auch im Altbau sind Wärmepumpen klimafreundlich
Klimafreundlicher als fossile Heizungen sind die untersuchten Wärmepumpen auch. Im Jahr 2018 lagen die auf Basis der Messungen errechneten Kohlendioxid-Emissionen der vermessenen Außenluft-Wärmepumpen um 19 bis 47 Prozent niedriger als dies bei Wärmeversorgung der gleichen Gebäude mit Gas-Brennwertheizungen der Fall gewesen wäre. Bei den Erdreich-Wärmepumpen lagen die entsprechenden Werte sogar bei 39 bis 57 Prozent. Wird zusätzlich Solarstrom für die Wärmepumpe genutzt, lassen sich die CO2-Kennwerte weiter verbessern, so dass die CO2-Emissionen weiter sinken werden.

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Jahresarbeitszahlen bis 4,7, Heizkreistemperaturen geringer als erwartet
Das Fraunhofer ISE konnte 41 Wärmepumpen mit gleichem Auswertzeitraum und einheitlicher Bilanzgrenze auswerten. Für den Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 hat das Institut 29 Außenluft-Wärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung analysiert. Die Anlagen erreichten Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,5 bis 3,8. Der Mittelwert lag bei 3,1. Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt.

Bei den zwölf Erdreich-Wärmepumpen ermittelten die Forscherinnen und Forscher JAZ zwischen 3,3 und 4,7 bei einem Mittelwert von 4,1. Bei den Erdwärmepumpen wurde ein negativer Ausreißer nicht berücksichtigt.

Die maximal zur Raumheizung erforderlichen Vorlauftemperaturen lagen für die 27 Außenluft-Wärmepumpen im Mittel bei knapp 44 Grad Celsius, bei den elf Erdreich-Wärmepumpen waren es etwas über 45 Grad Celsius (jeweils ohne Ausreißer). Im Bereich der Altbauten werden oft die erforderlichen Heizkreistemperaturen im Normauslegungspunkt diskutiert, also die Heizkreistemperaturen bei sehr geringen Außentemperaturen um minus zwölf bis minus 16 Grad Celsius. So bitterkalte Tage gibt es jedoch nur sehr selten. Ausschlaggebend für die Effizienz sind daher vor allem die erforderlichen Temperaturen, wenn am meisten geheizt wird, also bei Temperaturen knapp über null Grad Celsius. Die seltenen Extreme fallen daher in der Jahresbilanz kaum ins Gewicht.

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Elektroheizstäbe waren nur selten in Betrieb
Der Energieverbrauch der Elektroheizstäbe, die bei besonders kalten Temperaturen die Wärmepumpe unterstützen, spielen bei den vermessenen Anlagen eine untergeordnete Rolle. Bezogen auf alle mit Elektroheizstab ausgestatteten Außenluft-Wärmepumpen (24 von 29) betrug der Anteil der Heizstabsarbeit 1,9 Prozent. Ein relevanter Heizstabbetrieb wurde lediglich infolge falscher Parametrierung, bei Defekten oder infolge von Legionellenvermeidung gemessen. Bei den Erdreich-Wärmepumpen nahmen nur zwei von zwölf Anlagen die Heizstäbe überhaupt in Betrieb.

Individuelle Bedingungen entscheiden über Einsatz von Wärmepumpe im Altbau
Dennoch: Die Nutzung von Wärmepumpen im Altbau ist kein Selbstläufer. Ein erfolgreicher Betrieb hängt nicht nur von der Qualität und Effizienz der Wärmepumpe ab, sondern vor allem auch von äußeren Faktoren: Dazu gehört vor allem das energetische Niveau des Gebäudes und das installierte Wärmeübergabesystem. Das Alter des Gebäudes ist nach den im Projekt erhobenen Daten nicht relevant. Auch ein Umstieg auf Flächenheizsysteme ist nicht zwangsläufig erforderlich, da die Ergebnisse zeigen, dass auch Heizkörper mit vergleichsweise geringen Temperaturen betrieben wurden. Auf dem Markt werden inzwischen Heizkörper angeboten, die bei gleichem Platzbedarf wesentlich geringere Heizkreistemperaturen benötigen. Der Gesamterfolg hängt von einer guten Planung und sorgfältigen Installation ab.

Details zum Forschungsprojekt:
Die im Projekt untersuchten Häuser sind zwischen 15 und 170 Jahre alt. Die vor der ersten Wärmeschutzverordnung 1979 errichteten Gebäude wurden in unterschiedlichem Ausmaß saniert, während die eher seltenen Sanierungsmaßnahmen bei den jüngeren Gebäuden kaum Einfluss auf die energetische Qualität der Gebäudehülle hatten. Der witterungsbereinigte spezifische Heizwärmeverbrauch aller Gebäude reicht von 50 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m²*a) bis 250 kWh/m²*a.

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