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

Wärmepumpe in einem Heizungskeller: Das Forschungsprojekt des Fraunhofer ISE untersuchte insgesamt 61 Luftwärmepumpen und 16 Erdwärmepumpen im AltbauFoto: Fraunhofer ISE

Viele Eigentümer:innen von älteren Bestandsgebäuden fragen sich noch immer, ob eine Wärmepumpe auch bei ihnen kostensparend arbeiten kann. Das Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gibt jetzt abschließend eine Antwort: Im Projekt  "WP-QS im Bestand" nahmen die Wissenschaftler:innen vier Jahre lang detaillierte Messungen an 77 Wärmepumpen in Ein- bis Dreifamilienhäusern vor. 

--> Das Ergebnis: Die Wärmepumpen erreichten Jahresarbeitszahlen von 2,6 bis 5,4. Die Geräte können also auch in älteren Gebäuden effizient betrieben werden und klimaschonend heizen, ohne dass die Gebäude auf Neubaustandard saniert werden müssen.

Das Forschungsprojekt hat aber auch Optimierungspotenziale aufgedeckt, die interessant für Planer, Fachbetriebe und Eigentümer sind. Auf Basis der detaillierten Messdatenanalyse lässt sich nachvollziehen, welche Planungs- oder Installationsfehler besonders häufig auftreten und wo sich ineffizientes Betriebsverhalten zeigt.

1. Effizienz: Jahresarbeitszahlen von 2,6 bis 5,4
In dem Forschungsprojekt wurden 77 Wärmepumpen unter realen Bedingungen überwacht. Die Effizienz der Wärmepumpen hat sich im Vergleich zum im Jahr 2019 abgeschlossenen Projekt »WPsmart im Bestand« verbessert:

• Luft/Wasser-Wärmepumpen (Luftwärmepumpen) erreichen im Durchschnitt eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3,4. Sie erzeugen also aus einer Einheit Strom 3,4 Einheiten Wärme. Im Projekt zuvor lag der Schnitt noch bei 3,1. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe mit der niedrigsten Effizienz kam auf eine JAZ von 2,6, die mit der höchsten auf 4,9. 
• Die im Schnitt effizienteren erdgekoppelten Anlagen (Erdwärmepumpen) weisen eine mittlere JAZ von 4,3 auf («WPsmart im Bestand«: 4,1). Die Bandbreite bei den Erdreichwärmepumpen reicht von 3,6 bis 5,4. Eine Korrelation zwischen Baujahr der Gebäude und Effizienz der Wärmepumpe konnte nicht festgestellt werden.

Die Untersuchung zeigte auch, dass ausreichend dimensionierte Heizkörper im Mittel mit ähnlich niedrigen Temperaturen betrieben werden können wie Flächenheizungen. Die Energieverbräuche der Elektroheizstäbe, die bei besonders kalten Temperaturen die Wärmepumpe unterstützen, spielen bei den vermessenen Anlagen eine untergeordnete Rolle, was auch mit den vergleichsweise milden Witterungsbedingungen in der vermessenen Periode zusammenhängt. Sie übernahmen bei den Luft/Wasser-Wärmepumpen lediglich 1,3 Prozent der elektrischen Arbeit, bei den Erdreichwärmepumpen lag der Anteil nahe null Prozent.

2. Treibhausgasemissionen: 57 bis 68 Prozent niedriger als bei Gasheizungen
Die effiziente Arbeitsweise der Wärmepumpen hat zur Folge, dass sie im Vergleich zu Gasheizungen deutlich klimafreundlicher sind. Zieht man den deutschen Strommix des Jahres 2024 heran, ergibt sich für den untersuchten Wärmepumpenpool eine errechnete CO2-Vermeidung von 68 Prozent gegenüber Gasheizungen. Diese auf Jahreswerte beruhende Bilanzierung berücksichtigt jedoch nicht die unterjährige bzw. untertägige Varianz der Wärmepumpeneffizienz sowie der Beiträge einzelner Kraftwerkstypen zur Stromproduktion.

Die Studie hat daher nun erstmals auch die viertelstündlich berechneten Emissionswerte im deutschen Strommix berücksichtigt. Das erlaubt, die Klimafreundlichkeit der Wärmepumpen präziser zu bewerten. Mit dieser dynamischen Bilanzierung sinkt die Einsparung, aber nur leicht. Im Jahr 2024 lag der CO2-Ausstoß der untersuchten Wärmepumpen im Schnitt um 64 Prozent niedriger als bei Gasheizungen – vier Prozentpunkte weniger als bei der statischen Methode.

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3. Schallschutz: Vorgaben der TA Lärm lassen sich mit Gerätewahl, Standort und gängigen Maßnahmen erfüllen
In dem Projekt haben die Forschenden zudem eine Methode zur Durchführung von Langzeit-Schallfeldmessungen an Luft/Wasser-Wärmepumpen entwickelt und an fünf zufällig gewählten Anlagen erfolgreich demonstriert:

• In zwei Gebäuden war der Umgebungslärm so dominant, dass die Wärmepumpen akustisch kaum ins Gewicht fielen und bei keiner der Wärmepumpen zurechenbare Grenzwertüberschreitungen feststellbar waren. 
• An drei Standorten korrelierte der Wärmepumpenbetrieb mit erhöhter Überschreitung der zulässigen Nachtimmissionen. Die Überschreitung lag jedoch konstant unterhalb des Umgebungslärms. Die Vorgaben der TA Lärm (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm) hätten durch Auswahl – mit Blick auf Schalleistungspegel – besserer Geräte, der Platzierung der Wärmepumpe oder gängiger Schallschutzmaßnahmen erfüllt werden können.

4. Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik
Zusätzlich analysierten die Forscher:innen des Fraunhofer ISE die Kombination von Wärmepumpen mit Photovoltaik-Anlagen. Ein klassischer Ansatz zur Erhöhung des Eigenverbrauchs lokal erzeugten PV-Stroms ist die Anhebung von Solltemperaturen bei überschüssigem PV-Strom. Die Wärmepumpe vermehrt mit Solarstrom zu betreiben, kann vorteilhaft sein: Solarstrom ist günstiger als Strom aus dem Netz, auch bei Wärmepumpentarifen, Wärmepumpen lassen sich klimafreundlicher betreiben und das Verteilnetz zu bestimmten Zeiten entlasten.

--> Die Ergebnisse der Untersuchung von sechs Wärmepumpen/PV-Kombinationen: Ohne Batterie erreichen Gebäude mit einer PV-Anlage 25 bis 40 Prozent Autarkie und 22 bis 37 Prozent Eigenverbrauch. Mit Batterie verschieben sich diese Bereiche mit Werten für die Gebäude-Autarkie von 32 bis 62 Prozent und für den Gebäude-Eigenverbrauch von 40 bis 83 Prozent deutlich nach oben.

5. Optimierungspotenziale für Wärmepumpen im Bestand
Trotz guter gemessener Effizienzwerte zeigte das Forschungsprojekt auch Optimierungspotenziale auf. 

• Beispielsweise waren viele Wärmepumpen auf den Verbrauch bezogen überdimensioniert, 
• auch die Schalthäufigkeiten lagen bei einigen Anlagen im sehr hohen Bereich. 
• Bei einem Teil der Anlagen mit Kombispeichern wurde keine zuverlässige Trennung der Temperaturniveaus für Raumheizung und Trinkwassererwärmung realisiert, was in Teilen zu unnötiger Wärmebereitstellung auf Warmwasser-Temperaturniveau führte.

Basierend auf der Analyse der Messdaten und den Rückmeldungen der Akteure hat das Forschungsteam des Fraunhofer ISE daher im Abschlussbericht eine Prozessmatrix erstellt. Sie dokumentiert für die einzelnen Phasen Planung, Installation und Inbetriebnahme mögliche Qualitätsdefizite. Wie diese zu beheben sind, zeigen die Fachleute hier ebenfalls. Die Ergebnisse und Empfehlungen aus dem Projekt enthalten wertvolle Erkenntnisse für Planer, Installateure und Betreiber von Wärmepumpensystemen.

6. Hilfreiche Tipps für Planer, Fachbetriebe und Eigentümer

• Die angebotenen Wärmepumpen sollten anhand von COP bzw. SCOPEN 14825-Werten verglichen werden, um neben den Kosten auch die Effizienz des Gerätes in den Blick zu nehmen. 
• Wichtig ist, die Auslegung der Heizkörper raumweise zu überprüfen, um ggf. gezielt klein dimensionierte Heizkörper auszutauschen und so die erforderliche Heizkreistemperatur abzusenken. 
• Der Zirkulationsbetrieb kann den Energiebedarf erhöhen; daher ist hier eine Beratung zu deren Notwendigkeit sinnvoll.
• Kombispeicher sollten anhand von Qualitätskriterien ausgewählt werden. 
• Fehler in der Hydraulik (z. B. falsche Anschlussreihenfolge) müssen vermieden werden; einfache Standardschemata für die Anlagen und regelmäßige Schulungen des Fachhandwerks helfen die Qualität langfristig zu verbessern. 
• Neben der Wahl des Hydraulikkonzeptes ist auch die Dimensionierung der Komponenten für einen stabilen Anlagenbetrieb entscheidend.
• Heizstab- und Kesselbetrieb sollten überwacht und optimiert werden, um einen unnötigen Betrieb dieser Zusatzheizungen zu vermeiden. 
• Häufiges Takten verkürzt die Lebensdauer der Wärmepumpe. Daher ist es wichtig, die Schalthäufigkeit auszuweisen und bei hohen Schalthäufigkeiten Warnungen auszugeben. 
• Eigentümer:innen sollten in die Bedienung und Fehlererkennung ihrer Anlage eingewiesen werden. 
• Unterstützend ist es wichtig, die Betriebsdaten zentraler Kennwerte im Kontext von Grenz- bzw. Erwartungsbereichen in Effizienzanzeigen darzustellen. 
• Fernüberwachungen mit (teil-)automatisierter Prüfung zentraler Parameter sind eine weitere Möglichkeit, einen (deutlich) ungünstigen Anlagenbetrieb frühzeitig zu bemerken. 
• Weiterhin ist es wichtig die Heizkurve und weitere Parameter, welche die Betriebstemperatur und die Schalthäufigkeit beeinflussen, sorgfältig einzustellen; automatisierte Hinweise sind hilfreich.

Die Grundlagen des Forschungsprojekts: 61 Gebäude mit Luftwärmepumpen, 16 mit Erdwärmepumpen
Der untersuchte Anlagenpool umfasste 61 Anlagen mit der Wärmequelle Außenluft. Diese Luftwärmepumpen sind die häufigste in Deutschland genutzte Wärmepumpenart. 16 Anlagen haben eine Sole/Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe), sie nutzen die Wärmequelle Erdreich. 34 der untersuchten Wärmepumpen stammen aus dem im Jahr 2019 abgeschlossenen Projekt «WPsmart im Bestand«. Bei ihnen haben die Forschungspartner das Monitoring, teils mit aktuelleren Wärmepumpenmodellen, fortgesetzt. 43 Messobjekte kamen neu hinzu.

Für die Effizienzbewertung wurden Wärmepumpen in Gebäude von 1826 bis 2001 berücksichtigt. Die beheizte Fläche liegt bei 90 bis 370 Quadratmetern, der Mittelwert bei 170 Quadratmetern. Die vor 1977 (erste Wärmeschutzverordnung) errichteten Wohnhäuser sind etwas umfangreicher saniert als im Bundesdurchschnitt. Bei der Fassade etwa wurde die Hälfte der Gebäude, 51 Prozent, nachträglich gedämmt – deutschlandweit waren es (bezogen auf 2016) lediglich 30 Prozent. Die ab 1977 errichteten Häuser sind – abgesehen von einem – durchweg unsaniert.

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Artikel über den Zwischenbericht im Projekt "WP-QS im Bestand" vom 24.3.2024

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.

Weiterlesen:

--> Wärmepumpe im Altbau – funktioniert das? Expertentipps zu Grundlagen, Effizienz und möglichen Varianten

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