Entwicklung optimierter Versorgungskonzepte und nachhaltiger Qualitätssicherungsmaßnahmen für Wärmepumpen im EFH-Bestand

Mit Blick auf aktuelle Energiesystemstudien nehmen Wärmepumpen für die Erreichung der Klimaschutzziele im Gebäudesektor eine Schlüsselrolle ein und sollten hierfür auch im Bestandsgebäudebereich als zentrale Wärmeversorgungstechnologie etabliert werden. Zur Unterstützung dieses Hochlaufs ist die Demonstration und Analyse von Effizienz und Betriebsverhalten von Wärmepumpen unter typischen Bedingungen im Altbau sowie die Entwicklung geeigneter Maßnahmen zur Effizienzsicherung erforderlich. An dieser Stelle dockt das BMWE-geförderte Forschungsprojekt »WP-QS im Bestand« mit Fokus auf den Einfamilienhausbereich an.

Ausgangslage

Gut die Hälfte der Ein- und Zweifamilienhäuser in Deutschland wurde vor 1977 gebaut und damit bevor die erste Wärmeschutzverordnung in Deutschland in Kraft getreten ist. Weitere ca. 15 % der Gebäude wurden bis zur dritten Wärmeschutzverordnung 1995 und weitere knapp 10 % bis zur ersten Energieeinsparverordnung 2002 errichtet. Ein Teil dieser Gebäude wurde seit deren Errichtung in unterschiedlicher Ausprägung energetisch saniert. Zudem gibt es einen, teils über mehrere Wärmeerzeugergenerationen gewachsenen, Status quo bei den Wärmeerzeugern, den Speichern sowie den Wärmeverteil- und Wärmeübergabesystemen. Mit Blick auf den zweckmäßigen Einsatz von Wärmepumpen in diesen Bereich sind die beteiligten Akteure daher mit einer ungleich komplexeren Ausgangssituation konfrontiert als im Neubau. Hierfür gilt es Maßnahmen zur Sicherung eines effizienten Wärmepumpenbetriebs zu entwickeln. Gleichzeitig bestehen weitere Fragestellungen mit Blick auf bivalente Systeme, der Kombination mit Photovoltaikanlagen und Batterien oder Schallbelastung durch Außenluft-Wärmepumpen.

Ziel

Die Ziele des Projektes lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Demonstration und Analyse der Effizienz von Wärmepumpen im EFH-Bestand
• Analyse der Betriebsbedingungen der Wärmepumpen mit Blick den Zustand der Gebäude und Wärmeübergabesysteme
• Detaillierte Analyse von Effizienz und Betriebsverhalten der monoenergetischen sowie monovalenten Systeme
• Detaillierte Analyse von Effizienz und Betriebsverhalten bivalenter (hybrider) Systeme
• Entwicklung und Anwendung einer Messmethodik zur realen Schallbelastung von Außenluft-Wärmepumpen im Feld
• Untersuchung von Wärmepumpen in Kombination mit PV und Batteriespeichern mit Blick auf Eigenverbrauch und Autarkie sowie Wechselwirkungen mit dem Stromverteilnetz
• Bewertung der Treibhausgasemissionen durch den Betrieb von Wärmepumpen unter Berücksichtigung zeitvariabler Faktoren
• Ableiten von Maßnahmen zur Absicherung effizienten Wärmepumpenbetriebs

Lösung

Im Zentrum des Projektes stand die messtechnische Untersuchung von 77 marktverfügbaren Wärmepumpen, davon 61 mit der Wärmequelle Außenluft, im Rahmen eines Feldtests. Alle Systeme werden sowohl zur Raumheizung als auch zur Trinkwassererwärmung eingesetzt. Die Baujahre der Gebäude reichen zurück bis 1826, wobei sich der energetische Sanierungsgrad vom unsanierten Ursprungszustand bis hin zu vollsanierten Gebäuden erstreckt. Das Messkonzept umfasste mindestens die minutengenaue Aufzeichnung der Messdaten. Auf Seiten der elektrischen Verbraucher wurden neben Verdichter, Steuerung und Heizstab auch die Antriebe in der Wärmequelle erfasst. In den Hydraulikkreisen der Wärmequelle und der Wärmenutzungsanlage werden die Energien, Leistungen, Volumenströme und Temperaturen aufgezeichnet. Die Effizienzauswertung der Messdaten erfolgte automatisiert mit der Software mondas®. Flankiert wurde die Untersuchung von den Ergebnissen einer aufwendigen Recherche und Analyse von Stammdaten zu den einzelnen Messobjekten. 

Ergebnisse

Die Hauptauswerteperiode mit der größten Stichprobe war das Jahr 2024. In diesem Zeitraum erreichten 49 Außenluft-Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen (JAZ) von 2,6 bis 4,9 bei einem Mittelwert von 3,4. Die 13 Erdreich-Wärmepumpen mit Erdwärmesonden erreichten JAZ-Werte von 3,6 bis 5,4. Ein Zusammenhang zwischen Baualter der Gebäude und JAZ der Wärmepumpen konnte nicht festgestellt werden. Dies hängt mit dem Haupteinflussfaktor auf die Effizienz der Wärmepumpen zusammen: über alle Baualtersperioden hinweg wurden sehr ähnliche erforderliche Temperaturen zur Raumheizung gemessen. Auf Basis dieser Effizienzwerte lassen sich THG-Emissionseinsparungen gegenüber einem Gaskessel von 37 % bis 70 % im Betrachtungszeitraum und von 61 % bis 90 % im Jahr 2030 ermitteln. Unter Berücksichtigung zeitvariabler Faktoren fallen die THG-Einsparungen im Jahr 2024 um 6 % geringer aus. Gleichzeitig förderte die Detailuntersuchung weiteres Optimierungspotenziale zu Tage: bezogen auf den Verbrauch sind viele Wärmepumpen überdimensioniert und ein Teil der Anlagen weist zu hohe Schalthäufigkeiten auf. Ferner kann das Zusammenspiel zwischen Wärmepumpe, Wärmespeicherung und Wärmenutzung weiter optimiert werden. Diese und weitere Ergebnisse sind im Schlussbericht ausführlich zusammengefasst.

• Bosch Thermotechnik GmbH
• Glen Dimplex Deutschland GmbH
• Lechwerke AG
• Max Weishaupt GmbH
• NIBE Systemtechnik GmbH
• Panasonic Heating & Ventilation Air-Conditioning Europe
• DAIKIN Airconditioning Germany
• Viessmann Werke GmbH & Co. KG
• Stadtwerke Stuttgart GmbH
• Stiebel Eltron GmbH & Co. KG
• Vaillant GmbH

Das Projekt »WP-QS im Bestand«  wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert (FKZ: 03EN2029A).