Mehrfamilienhäuser im Bestand sind für einen großen Teil des Wärmeenergiebedarfs der Haushalte in Deutschland verantwortlich. Die Nachrüstung von Wärmepumpen-Lösungen ist auch hier eine sinnvolle und effiziente Option. Unser Gastautor zeigt, wie diese Lösungen aussehen können.
Eine zügige Umstellung von fossilen Heizsystemen auf Wärmepumpen im Gebäudebestand ist ein entscheidender Hebel für erfolgreichen Klimaschutz im Gebäudesektor – das ist die übereinstimmende Aussage wissenschaftlicher Untersuchungen. Während im Neubausektor bereits jedes zweite eingebaute Heizsystem eine Wärmepumpe ist, werden im Gebäudebestand bei der Heizungsmodernisierung immer noch häufig alte Heizkessel durch neue Gas- und Ölkessel ersetzt, die trotz Brennwerttechnik hohe CO₂-Emissionen über viele Jahre festschreiben (Lock-In-Effekt). Demgegenüber haben Wärmepumpenheizungen den großen Vorteil, dass ihre CO₂-Emissionen über die Lebensdauer der Anlage von Jahr zu Jahr sinken – in dem Maße, wie der Stromerzeugungsmix erneuerbarer und emissionsärmer wird. Im Mehrfamilienhaus (MFH) Bestand werden Wärmepumpen bisher nur in geringem Umfang eingesetzt. Als Herausforderung für Wärmepumpen gilt, dass bestehende Heizsysteme oft auf hohe Vorlauftemperaturen ausgelegt, und bei zentralen Trinkwarmwasserinstallationen hohe hygienische Anforderungen einzuhalten sind.
Ein wesentliches Hemmnis für den Einsatz von Wärmepumpen im MFH-Bestand ist die weitverbreitete Annahme, es müsse umfangreich saniert, alle Heizkörper ausgetauscht oder eine Flächenheizung installiert werden, um eine akzeptable Effizienz der Wärmepumpe zu erreichen. Diese Annahme ist in sehr vielen Fällen unzutreffend. Richtig ist, dass die Effizienz der Wärmepumpe umso höher ist, je weiter die Heizkreistemperaturen abgesenkt werden können. Durch bereits erfolgte Sanierungsschritte der Gebäudehülle (wie Fensteraustausch oder Fassadendämmung) ist der Heizwärmebedarf der einzelnen Räume oft schon deutlich geringer als bei Planung (und Einbau) des ursprünglichen Heizungssystems, d.h. die Heizkörper sind für den aktuellen Wärmebedarf bereits überdimensioniert. Eine raumweise Heizlastberechnung bringt hier Klarheit, welche Heizkörper ausgetauscht werden müssen, um die Heizkreistemperaturen ohne Komfortverlust auf ein niedrigeres Niveau absenken zu können. Für die Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpen gibt es je nach Ausgangssituation im Bestand eine Vielzahl möglicher Systemkonfigurationen, um auch hier nötige Temperaturen abzusenken.
Abb 2 ― Grundlegendes Funktionsprinzip einer Wärmepumpe: ein Zirkulierendes Medium (das Kältemittel) entzieht durch Verdampfung einer Wärmequelle Energie, die es bei höherem Druck bei höherer Temperatur durch Kondensation wieder abgibt. •
Effizienzbewertung: Welche Kenngrößen gibt es?
Die Leistungszahl (engl. COP – Coefficient of Performance) einer Wärmepumpe ermöglicht zunächst den Vergleich unterschiedlicher Hersteller bei gleichen Randbedingungen (Quellen- und Senkentemperatur). Sie gibt das Verhältnis von nutzbarer Heizleistung zu aufgewendeter (elektrischer) Antriebsleistung in einem Betriebspunkt an. Die Europäische Norm EN 14511 definiert Betriebspunkte und Prüfverfahren für die Bestimmung von Leistungszahlen. So bedeutet z.B. die Angabe A2/W35 für eine Luftwärmepumpe den Betrieb bei Außenlufttemperatur 2 °C und einer Wärmeabgabe (Heizungsvorlauf) von 35 °C. Um den jährlichen Strombedarf einer Wärmepumpe abschätzen zu können, wird häufig die Jahresarbeitszahl (JAZ, nach VDI-Richtlinie 4650) verwendet. Sie beschreibt die zu erwartende Jahreseffizienz einer Wärmepumpe als Verhältnis der innerhalb eines Jahres abgegebenen Nutzwärme zur aufgenommenen Strommenge. Ermittelt werden kann die Jahresarbeitszahl auch aus Prüfstandsmessungen, indem für ein gegebenes Heizsystem die Leistungszahl über fünf repräsentative Betriebspunkte gemittelt wird, die jeweils für ein Fünftel des jährlichen Heizwärmebedarfs stehen. Von den so (am Prüfstand) ermittelten JAZ zu unterscheiden sind gemessene Jahresarbeitszahlen aus Feldtests mit realen Wärme- und Stromverbrauchsdaten eines ganzen Jahres.
International gibt es weitere Effizienz-Kennzahlen wie den SCOP (Seasonal COP) und den SPF (Seasonal Performance Factor), die nach einer abweichenden Berechnungsmethodik ermittelt werden und sich von der JAZ nach VDI 4650 hinsichtlich der Bilanzgrenzen, Eingangsgrößen und der Berücksichtigung von Hilfsenergiebedarfen unterscheiden. Eine weitere Effizienz-Kenngröße, die in der EU für die Beurteilung der Förderfähigkeit von Wärmepumpen herangezogen wird, ist die "jahreszeitbedingte Raumheizungs-Effizienz" ηs (ETA_s), die in der Ökodesign-Richtlinie (EU 206/2012) definiert ist und eine auf den Primärenergieeinsatz bezogene Jahresarbeitszahl darstellt.
Einflussfaktoren auf die Effizienz des Wärmepumpengeräts
Es gibt eine Vielzahl von Faktoren, welche die Systemeffizienz eines Wärmepumpensystems im Betrieb beeinflussen. Dies sind zunächst Parameter, welche die Effizienz des Wärmepumpengerätes selbst bestimmen. Hierzu zählen vor allem Betriebstemperaturen, Taktung und die Leistungsregelung. Weitere Einflussfaktoren im System sind die Effizienz eines Zusatz-Wärmeerzeugers (z.B. Heizstab, Gaskessel oder Solarthermie) sowie dessen Anteil an der Wärmebereitstellung. Hinzu kommen Hilfsenergiebedarf für Pumpen und Steuerung und die Wärmeverluste von Speichern und Rohrleitungen.
Die Effizienz der Wärmepumpe selbst steigt mit Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke (Temperaturhub). Aufgrund dessen hängt die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe wesentlich von dem Temperaturniveau auf der Wärmequellen- und Wärmesenkenseite ab. Der Zusammenhang typischer Auslegungswerte für Heizkreise und daraus resultierender Effizienz ist in Abb. 3 dargestellt.
Die Temperatur, mit der die Wärmepumpe auf der Wärmesenkenseite betrieben wird, ergibt sich aus einer Kette von Faktoren: vom Wetter über die Qualität der Gebäudehülle bis zur Hydraulik im Heizungskeller. Das erforderliche Niveau der Heizkreistemperatur wird mit der Wahl des Wärmeübergabesystems – also wie die Heizwärme in den Raum eingebracht wird – und dessen Auslegung bestimmt. Einzuhaltende Warmwassertemperaturen ergeben sich aus hygienischen Aspekten und (Komfort-) Anforderungen der Nutzer. Die Betriebstemperatur der Wärmepumpe liegt prinzipiell immer etwas höher als die Nutztemperatur, da die Temperatur des Heizungs- bzw. Warmwassers an mehreren Stellen im System reduziert wird (Wärmeübertrager, Wärmeverluste in Rohrleitungen und Speicher sowie Mischverluste). Auch die Wahl der Regelung hat einen Einfluss auf die Betriebstemperatur. So kann eine nicht angepasste Heizkurve zur Folge haben, dass die Heizkreistemperatur höher als notwendig eingestellt ist.
Eine Absenkung der Temperaturen im Heizkreis ist demnach ein wichtiger Hebel für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb in Bestandsgebäuden. Ein hydraulischer Abgleich ist eine wirksame Möglichkeit, die Systemtemperaturen des Wärmeübergabesystems zu prüfen und die Möglichkeit einer Absenkung zu untersuchen – und damit das Heizsystem für den Einsatz von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden zu ertüchtigen. Bei einer raumweisen Untersuchung von Wärmeverlust (Heizlastberechnung) und Prüfung vorhandener Reserven der Heizkörper können kritische Räume identifiziert werden, in denen im Zweifel Heizkörper ausgetauscht oder umgerüstet werden müssen.
Abb 3 ― Zusammenhang zwischen mittlerer Heizkreistemperatur (energiegewichtete mittlere Temperatur der Wärmeübergabe), mit Angabe typischer Auslegungswerte für Vor- und Rücklauf und der Jahresarbeitszahl für luft- und erdreichgekoppelte Wärmepumpen.•
Trinkwarmwasser – Herausforderungen im Mehrfamilienhaus
Bei der Trinkwassererwärmung spielen hygienische Gesichtspunkte (Legionellen in der Trinkwarmwasseranlage) eine entscheidende Rolle. Eine interessante Zukunftsperspektive bieten Ultrafiltrationssysteme, die eine deutliche Absenkung der Warmwasser-Zirkulationstemperatur ermöglichen, mit positiver Auswirkung auf die Effizienz der Wärmepumpe. Diese Systeme sind jedoch noch nicht Stand der Technik und derzeit noch mit erhöhtem Aufwand bzgl. Genehmigung und Beprobung der Wasserqualität verbunden. Bei einer späteren Nachrüstung einer Ultrafiltrationsanlage lässt sich auch die Effizienz einer bereits früher installierten Wärmepumpe nachträglich steigern. Grundsätzlich gut geeignet für den Einsatz von Wärmepumpen sind Trinkwarmwassersysteme, bei denen das Trinkwasser im Durchlaufprinzip erst kurz vor der Zapfung erwärmt wird. Hierfür muss die Wärmepumpe das Wasser nicht wesentlich über die Zapftemperatur (z.B. 45 °C) hinaus erwärmen, was der Anlageneffizienz zugutekommt. Allerdings sind in der Mehrzahl der Mehrfamiliengebäude in Deutschland zentrale Trinkwarmwassersysteme installiert, in denen das bereits erwärmte Trinkwasser in Rohrleitungen zirkuliert, damit an jeder Zapfstelle schnell warmes Wasser zur Verfügung steht. Zusammen mit den Anforderungen an den Legionellenschutz ergeben sich daraus hohe Systemtemperaturen für die Trinkwassererwärmung (>60°C), für die die Wärmepumpen ausgelegt sein müssen. Der Anteil des Wärmebedarfs der Trinkwassererwärmung am gesamten Wärmebedarf des Gebäudes hängt stark vom Sanierungszustand der Gebäudehülle ab – je geringer der Wärmeverbrauch für Heizwärme ist, um so größer ist der prozentuale Anteil der Trinkwassererwärmung.
Praxisbeispiele:
Im Karlsruher Stadtteil Durlach wurden zwei Mehrfamilienhäuser aus den 1960er Jahren mit Wärmepumpen umgerüstet. Die Gebäude wurden 1995 modernisiert (Wärmeschutzverglasung, Dämmung der Gebäudehülle, Kellerdecke und oberste Geschossdecke, Heizwärmebedarf ca. 60 kWh/m²a), im Rahmen des Austauschs der Wärmeerzeuger fanden keine weiteren Maßnahmen an der Hülle statt. Die Gebäude haben jeweils eine beheizte Wohnfläche von rund 2100 m² verteilt auf fünf Etagen mit insgesamt 30 Wohneinheiten. Als Wärmequelle wurde bei einem Gebäude ein Mehrquellensystem aus Luft und Sondenbohrungen eingesetzt. Das zweite Gebäude nutzt PVT-Kollektoren als Quelle. Beide Gebäude verfügen über Gaskessel als Backup und für Spitzenlasten. Bei der Heizwärmeversorgung konnten weitgehend bestehende Heizkörper weiterverwendet werden. Eine raumweise Heizlastberechnung und Abgleich mit installierten Heizkörpern zeigt, dass durch eine Absenkung der Auslegungstemperaturen auf
55°C / 45°C lediglich 11 von 150 Heizkörpern (7%) gegen größere Modelle ausgetauscht werden mussten.
In Freiburg wurde die Wärmeversorgung eines Bestandsquartiers mit 43 Wohneinheiten durch ein erneuertes Wärmepumpensystem mit Grundwasser als Wärmequelle umgesetzt. Das Gebäudeensemble mit Baujahr 2002 besteht aus 2 Mehrfamilienhäusern (mit 11 und 15 Wohneinheiten) und 2 Reihenhaus-Zeilen mit je 5 Häusern und 2 Doppelhäusern. Insgesamt umfassen die Gebäude eine zu beheizende Fläche von 3.430 m². Die Wärmeversorgung (Heizung und Trinkwarmwasser) erfolgt zentral und nutzt Fußbodenheizungen für die Wärmeübergabe. Die Anlage wurde im Energie-Contracting-Modell aufgebaut, d.h. ein Contractor errichtet und betreibt die Anlage zur Wärmeversorgung.. Dabei gibt der Contractor eine „Jahres-Arbeitszahl-Garantie“, d.h. läuft die Anlage mit schlechterer Effizienz als garantiert, zahlt der Abnehmer nur einen rechnerisch ermittelten Verbrauch, der sich aus der garantierten Effizienz ergibt.
Das neue System besteht aus zwei 2-stufigen Grundwasser/Wasser-Wärmepumpen, die für einen monovalenten Betrieb ausgelegt wurden (eine elektrische Zusatzheizung durch einen Heizstab ist nicht vorgesehen). Die Anlage ist nach den Einsatzbereichen Raumheizung und Trinkwassererwärmung aufgeteilt. Jede Wärmepumpe übernimmt vorrangig einen dieser Einsatzbereiche, so dass eine Separierung nach Temperaturniveaus über die meiste Zeit im Jahr erreicht wird. Dabei wird die Niedertemperatur-Wärmepumpe (NT) hauptsächlich für die Bereitstellung von Raumwärme und die Hochtemperatur-Wärmepumpe (HT) hauptsächlich für die Bereitstellung des Trinkwarmwasser eingesetzt.
Die Niedertemperatur-Wärmepumpe wurde meist bei einer mittleren Heizkreistemperatur um 39°C betrieben. Hier wurden Arbeitszahlen AZ1 (direkt hinter der Wärmepumpe) im Bereich von 5,0 bis 5,5 erreicht. Für die Trinkwassererwärmung lag die mittlere Betriebstemperatur höher mit rund 62°C / 58°C (Vorlauf / Rücklauf der HT-Wärmepumpe) bis April 2021. Diese wurde anschließend auf rund 66°C / 61°C angehoben. Hier wurden JAZ von 2,5 bis 3,0 realisiert. Die gemessenen Jahresarbeitszahlen AZ 1 der Wärmepumpenkaskade (beide Wärmepumpen) lagen bei 4,0 (erstes Betriebsjahr) und 3,5 (zweites Betriebsjahr).
Zur Bewertung der Anlageneffizienz der Gesamtanlage ist der Wärmequellenantrieb zu berücksichtigen. Der Wärmequellenantrieb besteht hier aus einer Grundwasserpumpe und je einer Wärmequellenpumpe je Wärmepumpe. Letztere sitzt jeweils im Primärkreis (also im „kalten Kreis“) der Wärmepumpe. Es gibt eine zentrale Pumpe, die Grundwasser fördert (Brunnenpumpe). Die dahinter sitzenden Wärmepumpen schalten jeweils im Betrieb eine Pumpe (die „Quellenpumpe“) für ihren „Primärkreis“ dazu.
Der Energiebezug wird in dieser Anlage durch die Brunnenpumpe dominiert und beläuft sich auf gut ein Fünftel des Energiebezuges der Verdichter und Steuerung der Wärmepumpen. Der hohe Energiebezug der Brunnenpumpe ist auf die hohe ungeregelte Leistungsaufnahme (5 kW) zurückzuführen. Daher liegen die Jahresarbeitszahlen der Kaskade (AZ3) mit 3,1 (erstes Betriebsjahr) und 2,8 (zweites Betriebsjahr) deutlich niedriger als die Jahresarbeitszahlen der Bilanzgrenze 1. Hier liegt ein Ansatzpunkt für eine weitere Anlagenoptimierung.
Weiter wurde in der Anlage häufiges Takten der Wärmepumpen beobachtet, die Wärmepumpe springt also häufig an, läuft kurz, geht wieder aus und kurze Zeit später wieder an. Das hat nicht zwingend Auswirkungen auf die Effizienz, aber auf die Lebensdauer der Bauteile. Für zukünftige Wärmepumpeninstallation lässt sich aus dieser Anlage ableiten, dass eine angepasste Dimensionierung, insbesondere eine sinnvolle Kaskadierung und Wärmepumpenmodulation wichtige Voraussetzungen sind, um einen Betrieb mit geringer Taktung zu ermöglichen.
Abb 4 ― Mit Wärmepumpen beheiztes Bestandsquartier in Freiburg mit 43 Wohneinheiten und 3430 m2 beheizte Fläche. © Fraunhofer ISE •
Unterstützung aus Forschung und Entwicklung
Im Forschungsprojekt "LowEx im Bestand", gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, wurden im Verbund aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit Unternehmen der Heizungs- und Gebäudetechnik und Unternehmen der Wohnungswirtschaft neue Lösungen für Wärmepumpen im Mehrfamilienhaus-Bestand entwickelt und demonstriert. Umfangreiche Informationen und Projektberichte sind unter www.lowex-bestand.de zu finden.