Effizienter Elektroboiler-Ersatz in EFH

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1 Seite 1/6 Erstellt: Prof. Reto von Euw; Energie Apéro Luzern vom 3. November 2014 Effizienter Elektroboiler-Ersatz in EFH In bestehenden Einfamilienhäusern wird das Brauchwarmwasser oft direkt-elektrisch erzeugt. Ziel des Bundesamtes für Energie ist es, diese Elektroboiler durch effizientere Wärmepumpen-Wassererwärmer zu ersetzen. Die Studie zeigt auf, wie hoch das effektive Energieeinsparpotential ist, wenn die Elektro-Wassererwärmer durch Wärmepumpen ersetzt werden. In der Schweiz sind immer noch sehr viele direkt-elektrisch betriebene Brauchwarmwassererwämer (alte Bezeichnung: Elektro-Boiler) im Einsatz. Mit etwa Elektro- Wassererwärmern gehört diese Art von Wassererwämung zu den grössten Stromverbrauchern im Haushalt. Sie macht ca. 4% des gesamten schweizerischen Stromverbrauchs aus. Mit den Mustervorschriften der Kantone im Energiebereich (MuKEn 2008) ist bei Wohnbauten der Neueinbau von direkt-elektrischen Wassererwärmern nur noch erlaubt, wenn das Brauchwarmwasser während der Heizperiode mit dem Wärmeerzeuger für die Raumheizung erwärmt respektive vorgewärmt wird. Ziel ist, dass Brauchwarmwasser primär mittels erneuerbarer Energie erzeugt wird. Ziel der Studie Das Zentrum für Integrale Gebäudetechnik (ZIG) der Hochschule Luzern Technik & Architektur wurde vom Bundesamt für Energie (BFE) beauftragt, das Energieeinsparpotential von Wärmepumpen gegenüber Elektro-Wassererwärmern für die Gebäudekategorie Einfamilienhaus (EFH) an unterschiedlichen Klimastationen (Zürich, Davos, Lugano), zu untersuchen. Vorgehen Ein repräsentatives Einfamilienhaus aus dem Baujahr 1980 wurde definiert und mit dem Simulationstool IDA ICE modelliert. Bezeichnung Gebäudetyp: U-Wert opake Gebäudeteile U-Wert Fenster Aussenwand Dach Glas Rahmen Variante: schlechter U-Wert 0.56 W/m 2 K 0.48 W/m 2 K 2.90 W/m 2 K 3.00 W/m 2 K Tabelle 1: Übersicht der wichtigsten Parameter der Gebäudehülle (Variante schlechter U-Wert) Weiter wurde definiert, dass die Wärmeerzeugung für die Raumheizung mit einem nichtkondensierenden Öl-Heizkessel erfolgt. Mit der Dämmung der Kellerdecke wurde eine

2 Seite 2/6 weitere Sanierungsvariante im Zusammenhang mit der Wärmepumpen-Wärmequelle bei unterschiedlichen Klimastationen untersucht. Auf dem Markt sind unterschiedliche Wärmepumpen erhältlich. Es gibt Kompaktanlagen und Splitanlagen, welche im monovalentem oder im bivalenten Betrieb laufen. Bei monovalenten Anlagen stellt die Wärmepumpe in allen Betriebszuständen den erforderlichen Wärmeleistungsbedarf bereit. Dagegen erzeugt die Wärmepumpe im bivalenten Betrieb die Wärmeleistung nur bis zu einem bestimmten Betriebszustand dem sogenannten Bivalenzpunkt. Wird dieser Bivalenzpunkt unterschritten, übernimmt ein zweiter Wärmeerzeuger (in diesem Fall der Elektroheizeinsatz im Wassererwärmer) die Deckung des Wärmeleistungsbedarfs. Welche Wärmepumpentypen in der Studie berücksichtigt wurden, ist in Abbildung 1 ersichtlich. Variante A: Basisvariante; direkt-elektrischer Wassererwämer (Elektro-Boiler) Variante B: WP-Wassererwärmer mit Wärmequelle aus Technikraum Variante C: WP-Wassererwärmer mit Wärmequelle Aussenluft (Bivalenzpunkt: 6 C und -5 C) Variante D: WP-Wassererwärmer mit Wärmequelle aus Wirtschaftsraum Abbildung 1: Variantenübersicht der Wärmepumpentypen

3 Seite 3/6 Einfluss der unterschiedlichen Wärmequellen Der Austausch einer direkt-elektrisch betriebenen Brauchwarmwassererwärmung mit einer Wärmepumpen-Wassererwärmung reduziert die benötigte Primärenergie für die Wärme und die Treibhausgasemissionen. Bei der jährlichen nicht erneuerbaren Primärenergie für Heizung und Warmwasser beträgt die Reduktion zwischen 9% und 13%. Wird nur die Systemgrenze Warmwasser betrachtet, so lässt sich die Primärenergie erheblich mehr, nämlich zwischen 43% und 66%, verringern. Die grösste Energieeinsparung erfolgt mit einer Aussenluftwärmepumpe mit einem Bivalenzpunkt von -5 C. Stammt die Verdampfungsenergie aus dem Technikraum oder aus dem Wirtschaftsraum, so wird ein Wärmediebstahl der Wärmepumpe festgestellt. Diese entzieht Energie aus den umliegenden, beheizten Räumen, so dass der Heizwärmebedarf [Q h ] um 2% bis 4% respektive um 9% bis 14% ansteigt. Weiter kann im Raum, aus dem die Verdampfungsenergie für die Wärmepumpe stammt, die Raumlufttemperatur um 2 bis 3 Kelvin absinken. Abbildung 2: Vergleich der nicht erneuerbaren Primärenergien für Heizung und Warmwasser und der jährlichen Treibhausgasemissionen bei der Klimastation Zürich-SMA. Abbildung 3: Vergleich der nicht erneuerbaren Primärenergien nur für das Warmwasser bei der Klimastation Zürich-SMA.

4 Seite 4/6 Einfluss der Klimastationen Der Primärenergieverbrauch wird auch vom Standort beeinflusst. Neben der Klimastation Zürich-SMA wurden sämtliche Varianten mit den Klimastationen Lugano und Davos simuliert. Je kleiner der Heizwärmebedarf [Q h ] ist, desto grösser ist die relative Einsparung bei der Primärenergie für Heizung und Warmwasser mit einem Wärmepumpen- Wassererwärmerersatz. Die grösste Energieeinsparung ist in Lugano (16% bis 20%) möglich, jedoch dicht gefolgt von Zürich (9% bis 13%) und Davos (4% bis 9%). Einfluss einer gedämmten Kellerdecke Wird die gesamte Kellerdecke mit 10 cm dicken Dämmplatten ( = W/m 2 K) gedämmt, reduziert sich der jährliche Endenergiebedarf für Heizung und Warmwasser um 17%, ohne dass eine Anpassung am Wassererwärmer vorgenommen wird. Wird nun zusätzlich zu der gedämmten Kellerdecke ein Wärmepumpen- Wassererwärmereingesetzt, reduziert sich die jährliche nicht erneuerbare Primärenergie für Heizung und Warmwasser nochmals um 10% bis 16%. Abbildung 4: Vergleich der nicht erneuerbaren Primärenergien für Heizung und Warmwasser und der jährlichen Treibhausgasemissionen mit einer gedämmten Kellerdecke bei der Klimastation Zürich-SMA Bei einer gedämmten Kellerdecke fehlt der Wärmeeintrag aus den beheizten Räumen. Dadurch sinkt der Energieinhalt der Luft und diejenigen Wärmepumpen, welche die Verdampfungsenergie aus dem Gebäude respektive aus einem Raum beziehen, laufen mit einer schlechteren Jahresarbeitszahl (JAZ). Dabei wird die JAZ von 2.4 auf 2.2 reduziert.

5 Seite 5/6 Mögliche Lösungsstrategien Untenstehend werden mögliche Lösungsstrategien in Abhängigkeit des jährlichen Heizwärmebedarfs und des Alters der Haustechnik in einem Flussdiagramm dargestellt. Diese kann den Fachleuten bei der Beratung von möglichen Sanierungsstrategien für den Ersatz von direkt-elektrischen Wassererwärmern helfen. Abbildung 5: Flussdiagramm zur Auswahl einer möglichen Sanierungsstrategie

6 Seite 6/6 Zusammenfassung Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz einer Wärmepumpe Energie eingespart werden kann. Je nach Systemgrenze kann eine grössere Energieeinsparung erzielt werden. Betrachtet man die nicht erneuerbare Primärenergie für Heizung und Warmwasser, so reduziert sich diese bei einer Wärmepumpe zwischen 9% und 13%. Wird hingegen nur die Primärenergie für das Warmwasser berücksichtigt, so kann Energie zischen 43% und 66% eingespart werden. Die grösste Energieeinsparung lässt sich mit einem Wärmepumpentyp, welcher die Verdampfungsenergie aus der Aussenluft bezieht, erreichen. Dabei muss aber berücksichtigt werden, dass der Bivalenzpunkt nicht grösser als -5 C ist. Entzieht man die notwendige Verdampfungsenergie innerhalb des Gebäudes (Wärmequelle Raumluft ), so muss der Raum, welcher als Wärmequelle dient, folgende Anforderungen erfüllen: - Raumvolumen muss mindestens 20 m 3 betragen - Bezugsraum muss sauber sein (frei von Staub und ätzenden Gasen) - Bezugsraum muss frostsicher sein - wird der Heizkessel mit fossilem Brennstoff betrieben, ist der Bezugsraum gegen beheizte Räume zu dämmen - genügend Abwärme (z.b. Geräte, Erdwärme) muss vorhanden sein - luftseitiger Kurzschluss ist zu verhindern - der Bezugsraum sollte von aussen belüftet sein Zusätzlich kann Energie eingespart werden, wenn die Kellerdecke gedämmt wird. Dabei verkleinert man die Transmissionswärmeverlust [Q T ] vom beheizten zum unbeheizten Geschoss massiv. Das zusätzliche Reduktionspotenzial liegt bei 17 %.