Netzreaktive Gebäude – Feldmessungen großer Wärmepumpen

Analysen zur Zusammensetzung des zukünftigen Gesamtenergiesystems Deutschlands mit dem Ziel möglichst niedriger Gesamtkosten zeigen, dass elektrische Wärmepumpen eine zentrale Rolle bei der Wärmeversorgung spielen werden (vgl. Projekt »Integrierte Wärme- und Kältestrategie für Deutschland«). Besonders Wärmepumpen in größerem Leistungsbereich für die Versorgung von Büro- und Gewerbegebäuden haben großes Potenzial durch eine abgestimmte Interaktion mit dem Versorgungsnetz Lastverschiebung durch das effiziente Erzeugen und Zwischenspeichern von Wärme und Kälte zu ermöglichen und damit einen Beitrag zur Netzstabilität zu leisten. Auf Basis von mehrjährigen Messkampagnen bewerten wir die Energie- und Effizienzperformance sowie das Betriebsverhalten großer Wärmepumpenanlagen mit einem thermischen Leistungsbereich von 40 bis 150 kW_therm.

Niedrigenergiegebäude mit einem reduzierten Leistungs- und Energiebedarf für Heizung und Kühlung ermöglichen den effizienten Einsatz von natürlichen Umweltwärmequellen und -senken in Kombination mit Wärmepumpen. Im Winter wird das natürlich vorhandene Temperaturniveau der Umweltenergie durch eine Wärmepumpe noch geringfügig – und damit wirtschaftlich günstig – erhöht. Im Sommer wird das Erdreich bzw. das Grundwasser direkt als natürliche Umweltwärmesenke zur freien Kühlung der Gebäude genutzt. Erfordert das Gebäude und die Nutzung eine erhöhte Kühlleistung, kann Klimakälte durch eine reversible Wärmepumpe energieeffizient bereitgestellt werden.

Für die Wärmepumpenanlagen in den untersuchten Gebäuden (Wärmepumpe mit Verdichter und Primärpumpe) werden im HeizmodusJahresarbeitszahlen von 3 bis 6,1 kWh_therm/kWh_el (Erdreich) bzw. 3,0 kWh_therm/kWh_el (Grundwasser) erreicht. Sowohl die Primärpumpe als auch die Vorlauftemperatur des sekundärseitigen Übergabesystems haben einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungs- und Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe. Die Nutzung von erdreichgekoppelten, reversiblen Wärmepumpen zur Kälteerzeugung stellt ein effizientes und nachhaltiges Konzept zur Gebäudekühlung dar. Auch hier bedingen die relativ hohen Vorlauftemperaturen zur Kühlung von 16 °C bis 20 °C gute Energieeffizienzen. Messtechnisch wurden in Projekten Jahresarbeitszahlen von 4,8 bis 5,8 kWh_therm/kWh_el nachgewiesen.