WPsmart im Bestand: Wärmepumpenfeldtest – Fokus Bestandsgebäude und smarter Betrieb

Laufzeit: Dezember 2014 -  Juli 2019
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Projektträger Jülich (PTJ)
Kooperationspartner: ait-deutschland GmbH, Bosch Thermotechnik GmbH, Elektrizitätswerk Mittelbaden GmbH, Glen Dimplex Wärmepumpentechnik GmbH, Heliotherm Wärmepumpentechnik GmbH, Lechwerke AG, Max Weishaupt GmbH, Stadtwerke Stuttgart GmbH, Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG, Viessmann Werke GmbH & Co. KG
Webseite: www.wp-smart-im-bestand.de
Logo »WPsmart im Bestand«.
© Fraunhofer ISE
Logo »WPsmart im Bestand«.
Bilanzgrenze zur Berechnung der Arbeitszahlen für eine beispielhafte Anlage
© Fraunhofer ISE
Bilanzgrenze zur Berechnung der Arbeitszahlen für eine beispielhafte Anlage.
Bandbreiten und Mittelwerte der Jahresarbeitszahlen
© Fraunhofer ISE
Bandbreiten und Mittelwerte der Jahresarbeitszahlen sowie CO2Äq-Emissionseinsparungen gegenüber eines Gas-Brennwertkessels.

Der Erfolg der Energiewende hängt maßgeblich von der Sanierung des Gebäudebestandes ab. Hierbei steht neben den baulichen Maßnahmen zur Verringerung des Heizwärmebedarfs die Verbesserung der Effizienz des Heizungssystems im Fokus. Ein weiterer Baustein bei der Transformation des Energiesystems ist die zweckmäßige Kopplung der Sektoren Strom und Wärme. In beiden Themenbereichen können elektrisch angetriebene Wärmepumpen eine entscheidende Rolle spielen. Daher wurde am 1. Dezember 2014 das vierjährige Forschungsvorhaben »WPsmart im Bestand« gestartet. Unter der Leitung des Fraunhofer ISE und gemeinsam mit Wärmepumpenherstellern und Energieversorgern werden beide Themen in einem Projekt näher untersucht.

In vier Projektjahren sollen Erkenntnisse über die Effizienz von Wärmepumpen in unterschiedlich sanierten Wohngebäuden im Einfamilienhausbereich sowie deren Flexibilität beim Lastmanagement gewonnen werden. Die Projektziele sind im Einzelnen:

  • Identifikation optimaler Lösungen für den Einsatz von Wärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung in Bestandsgebäuden
  • Messtechnische Untersuchung von 100 Wärmepumpen über drei Heizperioden (davon 20 über zwei Heizperioden im smarten Betrieb)
  • Energetische, ökologische und ökonomische Bewertung der monovalent, monoenergetisch sowie bivalent (hybrid) betriebenen WP-Anlagen
  • Ermittlung des Potenzials als Erbringer von Systemdienstleistungen unter Anwendung der Funktionalitäten gemäß »SG Ready«-Regelung
  • Empfehlungen für systemkompatible Regelung und Design zukünftiger WP-Systeme (»SG Ready 2.0«)

Eine detaillierte messtechnische Untersuchung einer großen Anzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle wird über einen längeren Zeitraum durchgeführt. Im Fokus stehen neben monovalenten oder monoenergetischen Außenluft- und Erdreich-Wärmepumpen auch bivalente (hybride) Systeme, die zusätzlich über Öl- oder Gas-Kessel verfügen. Nach der ersten Heizperiode werden 20 Anlagen in den intelligenten, netz- bzw. energiewirtschaftlich geregelten Betrieb überführt. Die übrigen 80 Anlagen werden im wärmegeführten Modus weiter untersucht. Die Vorbereitung der »smarten« Ansteuerung umfasst die Entwicklung geeigneter Regelstrategien unter Anwendung der gemäß »SG Ready«-Label zertifizierten Schnittstelle.

Jahresarbeitszahlen und weitere Messgrößen der Außenluft-Wärmepumpen sortiert nach Baualtersklassen
© Fraunhofer ISE
Jahresarbeitszahlen und weitere Messgrößen der Außenluft-Wärmepumpen sortiert nach Baualtersklassen.

Nach einer Verlängerung des Projektes bis Juli 2019 wird die Hauptauswerteperiode von Juli 2018 bis Juni 2019 reichen. Die Messdaten werden im zweiten Halbjahr 2019 final ausgewertet und die Endergebnisse voraussichtlich Anfang 2020 veröffentlicht. Die finale Auswertung wird 54 Anlagen umfassen. Die nachfolgende Auswertung enthält Zwischenergebnisse zur Effizienzanalyse von konventionell betriebenen Wärmepumpen (keine externe Ansteuerung über SG-Ready).

Die Zwischenauswertung bezieht sich auf den Zeitraum Oktober 2017 bis November 2018. Hierbei konnten 22 Außenluft- und 12 Erdreich-Wärmepumpen berücksichtigt werden. Die Bilanzgrenze zur Ermittlung der Jahresarbeitszahl (JAZ) wird in der Abbildung 2 dargestellt. Neben den überwiegend monoenergetisch betriebenen Anlagen werden auch je 4 Systeme mit zusätzlichem Ölkessel und zusätzlicher Solarthermieanlage ausgewertet. Die Gebäude wurden in den Jahren 1850 bis 2001 errichtet.

In der Abbildung 3 werden die Bandbreiten und Mittelwerte der JAZ, getrennt nach den Wärmequellen Außenluft und Erdreich, zusammengefasst. Das höhere JAZ-Niveau der Erdreich-Wärmepumpen ist vor allem auf die höheren Wärmequellentemperaturen in der Kernheizperiode zurückzuführen. Im unteren Bereich der Grafik wird eine vereinfachte, statische Abschätzung der CO2Äq-Emissionseinsparung der Wärmepumpensysteme gegenüber einem Gas-Brennwertkessel vorgenommen. Bei Zugrundelegung der Emissionsfaktoren von 2017 und der geringsten sowie höchsten gemessenen JAZ liegen die Einsparungen zwischen 17% und 53%. Anhand der Projektionen zukünftiger Emissionsfaktoren lässt sich der positive Beitrag der zunehmenden Durchdringung von regenerativer Erzeugung im Stromsektor nachvollziehen. In einem konservativen Szenario lägen die Einsparungen im Jahr 2030 zwischen 38% und 64%, während das optimistische Szenario zu Einsparungen zwischen 65% und 82% führen würde. Dies verdeutlicht, dass trotz zunehmend grünerem Strom auch weiterhin die Effizienz der Wärmepumpen eine signifikante Rolle spielen wird.

In der Abbildung 4 werden u.a. die JAZ und die max. Heizkreisvorlauftemperauren pro Außenluft-Wärmepumpe, sortiert nach Baualtersklasse, dargestellt. Dabei wird deutlich, dass sich eine große Bandbreite an Ergebnissen in fast allen Baualtersklassen wiederfindet. Dies zeigt, dass weniger das Baualter eines Gebäudes als vielmehr die individuellen Voraussetzungen entscheidend für die Effizienz und damit das ökologische und ökonomische Ergebnis sind.