Nicht jede Wärmepumpe trägt zum Klimaschutz bei Erdreich-Wärmepumpen sparen deutlich Primärenergie ein, Luft-Wärmepumpen sind kritisch zu bewerten

Transkript

1 Jahresergebnisse einer Felduntersuchung: Nicht jede Wärmepumpe trägt zum Klimaschutz bei Erdreich-Wärmepumpen sparen deutlich Primärenergie ein, Luft-Wärmepumpen sind kritisch zu bewerten Dr. Falk Auer, Herbert Schote Das Interesse der Verbraucher an Heizungs-Wärmepumpen wächst permanent. Dabei kommt im Ein- und Zweifamilienhaus nur die Elektro-Wärmepumpe infrage. Sie kühlt über einen Kältekreislauf die Umgebungsluft, das Erdreich oder das Grundwasser ab und hebt ( pumpt ) die niedrigen Temperaturen mithilfe elektrischer Energie auf ein nutzbares Temperaturniveau an. Bisherige Felduntersuchungen und Werbeaussagen lassen aber Zweifel darüber aufkommen, ob alle Wärmepumpensysteme geeignet sind, volkswirtschaftlichen und privatwirtschaftlichen Zielen gerecht zu werden. Übertriebene Werbung von Herstellern, Verbänden und Energieversorgungsunternehmen (EVU) schaden der Wärmepumpentechnik mehr, als sie ihr nützen. Das hat schon eine ähnliche Kampagne in den Jahren 1979 und 1980 gezeigt. Die Lokale Agenda 21 Gruppe Energie Lahr führt deshalb in Zusammenarbeit mit der Ortenauer Energieagentur in Offenburg seit Oktober 2006 einen zweijährigen Feldtest Elektro- Wärmepumpen * durch. Die Messtechnik fördern zu gleichen Teilen die badenova (Freiburg/ Breisgau.) und das E-Werk Mittelbaden (Lahr/ Schwarzwald). Sind Radiatorheizkörper vertretbar oder ist eine erfor- Fußbodenheizung derlich?» Die 33 Heiz- Wärmepumpenanlagen repräsentieren die Vielfalt der vorhandenen Systeme. «Welche der drei Kaltquellen Luft, Erdreich und Grundwasser ist die energieeffizienteste? Sollten Heizung und Warmwasser getrennt bereitet oder kombiniert werden? In welcher Höhe beeinflusst ein vorhandener Heizungspufferspeicher die Arbeitszahl? Das Projekt dient somit nicht nur den Teilnehmern des Feldtests, sondern liefert Energieberatern, Energieagenturen, potenziellen Interessenten, Planern, Herstellern und Handwerkern verlässliche Daten über die energieeffizientesten Wärmepumpensysteme. Systemvielfalt und Grenz-Arbeitszahl Die 33 erfassten Heiz-Wärmepumpenanlagen repräsentieren die Vielfalt der vorhandenen Systeme: Es sind die Kaltquellen Luft (13), Erdreich (13) und Grundwasser (7) in atypischer Auswahl vertreten, und zwar zwischen Freiburg und Baden-Baden sowie zwischen dem Rhein- und Kinzigtal in vier EVU-Gebieten. Die Wärmepumpen stammen von 11 Herstellern. 24 Anlagen verfügen über eine integrierte und 9 über eine getrennte Warmwasserbereitung. 6 arbeiten ohne einen Heizungspufferspeicher und 22 von 33 mit einer Fußbodenheizung. Neben den Heiz-Wärmepumpen erfasst die Agenda-Gruppe auch noch die Leistung von *) Der 16-seitige Jahresbericht zum Feldtest lässt sich von der Internetseite herunterladen (PDF- Datei). Ziele des Feldtests Ziele des zweijährigen Feldtests sind unter anderem die Ermittlung von Jahresarbeitszahlen und der Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpensystemen unter realistischen Betriebsbedingungen. Der Beitrag beantwortet nach einem Messjahr bereits die folgenden Fragen: Bild 1: Jahres-Arbeitszahlen am Ausgang von Elektro-Wärmepumpen. 40 IKZ-Haustechnik Heft 8 /2008

2 fünf kleinen Warmwasser- Wärmepumpen. Zur Beurteilung der Energieeffizienz von Wärmepumpen ist die Jahresarbeitszahl (JAZ) die wichtigste Kenngröße. Sie ist definiert als das Verhältnis von erzeugter Wärme am Ausgang der Wärmepumpe (Nutzwärme) zur notwendigen elektrischen Energie (Strom) am Eingang. Man unterscheidet die Erzeuger-JAZ, gemessen direkt am Ausgang einer Wärmepumpe, und die System-JAZ, die auch noch die Verluste eines eventuell vorhandenen Heizungspufferspeichers und der Warmwasserbereitung berücksichtigt. Die Jahresarbeitszahl muss bei energieeffizienten Wärmepumpen wegen der Kraftwerksverluste wenigstens 3,0 betragen, und bei nennenswert energieeffizienten 3,5. Zu dieser Einschätzung sind inzwischen auch die Deutsche Energieagentur und das RWE gekommen. Um überhaupt Primärenergie einzusparen, muss die sogenannte Grenz-Arbeitszahl mindestens 2,7 betragen. Ansonsten ist dem Häuslebauer nur schwer zu vermitteln, weshalb er 7000 bis Euro mehr gegenüber einem Brennwertkessel ausgeben soll, wenn sich damit keine Primärenergie einsparen lässt. Und in naher Zukunft wird diese Grenz-Arbeitszahl trotz der Erfolge bei den Erneuerbaren Energien nicht sinken, sondern eher ansteigen. Der Grund: Die EVU planen in den nächsten fünf Jahren etwa zehn Kohlekraftwerke; einige davon sind schon im Bau. Somit wird die erforderliche Mindest-Jahresarbeitszahl für energieeffiziente Wärmepumpen bald über 3 liegen müssen. Durchführung der Messungen Die Energieversorgungsunternehmen bieten Elektro- Heft 8 /2008 IKZ-Haustechnik

3 telte Jahresarbeitszahl von Grundwasser- Wärmepumpen mit Fußbodenheizungen. Entgegen den Erwartungen vieler schneiden sie mit einer JAZ = 3,0 im Vergleich zu Erdreich-Wärmeh e i z u n g s t e c h n i k Tabelle 1: Vergleich der Lokalen Agenda Jahresarbeitszahlen JAZ mit anderen Feldtests Elektro-Wärmepumpen. Lokale Agenda-21- Eon Gruppe Energie Lahr Schwarzw. Luft-Wärmepumpen Arbeitszahl (Anzahl) Erd-Wärmepumpen Arbeitszahl (Anzahl) 2,8 a /2,3 b (7) / (5) 3,4 (13) 2,73 c (1) /1/ 3,60 c (14) /1/ BFE Schweizer Bundesamt für Energie (FAWA) 2,65 (ca. 100) /2/ und /8/ 3,50 (ca. 100) /2/ und /8/ Zum Vergleich: Erdgas-Brennwertkessel (Anzahl) Abkürzungen: FAWA: Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen, GERTEC: Ingenieurbüro in Essen, VDEW: Verband Deutscher Elektrizitätswerke, MKW: Main-Kraft-Werke, PEF: Neuer Primärenergiefaktor, FhBW: Fachhochschule Braunschweig/ Wölfenbüttel. Anmerkungen: a Fußbodenheizung; b Radiatoren; c Literatur /8/: Nur die Besten veröffentlicht; d Wärmebedarf 80 kwh/m 2 a und Fläche 150 m 2, primärenergetische Anlagenaufwandszahl. Literatur /1/ bis /9/: --> Wärmepumpen --> Vergleich mit anderen Feldtests --> Literatur. Definitionen: --> Wärmepumpen --> Vergleich mit anderen Feldtests --> Definitionen. Ergebnisse: Die primärenergetischen Erzeugeraufwandszahlen = PEF / JAZ (letzte Spalte) der Luft-Wärmepumpen sind mit Brennwertkesseln vergleichbar. Sie liegen nicht nennenswert darunter und tragen deshalb nicht zum Klimaschutz bei. Anders dagegen die Erdreich-Wärmepumpen: Deren Erzeugeraufwandszahlen sind um etwa 25 % besser als Brennwertkessel. IZW Info-zentrum Wärmep. & Kältetechnik (Kruse) und Eon 2,98 /9/ 3,32 /9/ GERTEC Hess. Wirtschaftsministerium, VDEW und MKW 2,0 (4) /3/ 2,9 (4) /3/ Bild 2: Jahres- Arbeitszahlen von Warmwasser- Wärmepumpen. Wärmepumpenbetreibern Sondertarife mit einem Rabatt von bis zu 50 % auf den Haushaltstarif an (Quersubvention). Dafür müssen sie an Wochentagen mit einer Stromunterbrechung bei den Wärmepumpen von maximal dreimal pro Tag zu je 1,5 bis 2 Stunden rechnen. Die 22 Fußbodenheizungen im Feldtest berührt das nicht, ihre Wärmespeicherkapazität (Estrich) ist ausreichend groß, um den temporären Ausfall der Wärmepumpe zu kompensieren. Trotzdem kommen im Feldtest bei insgesamt 80 % der Wärmepumpenanlagen Heizungspufferspeicher zwischen 200 und 1000 l zum Einsatz wohl aus Gründen der Sicherheit und der einfacheren hydraulischen Anbindung an den Heizkreis. Auf dem Sondertarifzähler liegen oft auch elektrische Verbraucher, die eigentlich gar nicht dorthin gehören, wie etwa die Umwälzpumpe für den Heizkreis, der Heizlüfter im Bad oder die Lüftungsanlage (kontrollierte Wohnraumlüftung). Das handhabt jedes Elektrizitätswerk und jeder Handwerker anders. Eine einheitliche Richtlinie gibt es nicht. Es erforderte deshalb einen beachtlichen Aufwand, vor Ort die IST-Lage zu ermitteln und mithilfe von Zwischenzählern in eine einheitliche SOLL-Lage zu überführen. Die Berechnung der Arbeitszahlen berücksichtigt die folgenden elektrischen Verbraucher: Wärmepumpe einschließlich Steuerung/ Regelung Lüfter (Luft), Sole- (Erdreich) bzw. Grundwasserförderpumpe Ladepumpe Warmwasserspeicher (falls vorhanden) Elektro-Heizstab als Notheizung (falls vorhanden). Ergebnisse Heizwärmepumpen Bild 1 zeigt das Jahresergebnis von Oktober 2006 bis September Aufgetragen ist die entscheidende Größe für die Energieeffizienz von Wärmepumpen, nämlich die Jahresarbeitszahl (JAZ). Die Grafik unterscheidet die Kaltquellen Luft, Erde und Grundwasser und die Wärmesenken Fußbodenund Radiatorheizungen. Die beiden linken Säulen stellen die gemittelten Arbeitszahlen der Luft-Wärmepumpen dar, gemessen direkt an deren Ausgängen, und» Um überhaupt Primärenergie einzusparen, muss die sogenannte Grenz-Arbeitszahl mindestens 2,7 betragen. «zwar für Fußbodenheizungen JAZ = 2,83 und Radiatorheizungen JAZ = 2,30. Die Zahlen am Fuß der grafischen Darstellung informieren über die Anzahl der gemittelten Wärmepumpen und die senkrechten Pfeile an den Säulen über die Variation der Einzelwerte (durchgezogen: Hauptfeld, gestrichelt: Extreme). Der Unterschied zwischen den Nieder- und Mitteltemperaturheizkreisen beträgt 0,53 AZ-Punkte, d. h.: Radiatoren brauchen wegen des höheren Temperaturniveaus rund 25 % mehr Strom. Die beiden mittleren Säulen zeigen links die gemit- 42 IKZ-Haustechnik Heft 8 /2008

4 E-Werk Mittelbaden Lahr Schwarzw. 2,77 (1) /4/ Planung Wirtsch.- min. Baden- Württemberg 2,1-2,3 /5/ -- 2,4 2,9 /5/ pumpen nicht so gut ab. Die Gründe dafür sind: Erdreich-Wärmepumpen verfügen über einen geschlossenen Solekreislauf, arbeiten somit immer optimal mit konstantem Durchfluss. Die Sole-Umwälzpumpe nimmt nur eine Leistung von 80 bis 120 W auf (Ein-Zweifamilienhaus). Grundwasser-Wärmepumpen dagegen verfügen auf der Kaltseite über einen offenen Kreislauf. Der Durchmesser des Bohrlochs ist in Zum Vergleich: Planung Stiebel-Eltron Holzminden 2,31 d /6/ 2,97 d vielen Fällen mit 10 bis 15 cm Durchmesser zu klein. Darüber hinaus setzt sich der Schmutzfänger im Betrieb allmählich zu und wird in der Praxis nicht regelmäßig gereinigt. Letztendlich hat die Grundwasser-Förderpumpe im Vergleich zu einer Erdreich-Solepumpe eine etwa dreimal höhere Leistungsaufnahme. Die rechte Säule in der Mitte von Bild 1 zeigt die Jahresarbeitszahl von nur einer Grundwasser-Wärmepumpe mit Radiatorheizung. Dass Bild 3: Ein Teilnehmer des Feldtests beim monatlichen Ablesen der Wärme- und Elektrozähler seiner Grundwasser-Wärmepumpe. /6/ Gewichtetes Mittel Arbeitszahlen(JAZ) Spalten 2-6 2,65 3,50 sie über dem Mittel der Fußbodenheizungen liegt ist zufällig. Die beiden rechten Säulen stellen schließlich die gemittelten Jahresarbeitszahlen für die Erdreich-Wärmepumpen dar. Elf verfügen über Mittel Primärenergetische Erzeugeraufwandszahl, Spalten 2-6 (PEF = 2,7) 1,02 0,77 FhBW 1,04 (59) /7/ vertikale Erdsonden, zwei über horizontale Erdregister. Die Mittel dieser Arbeitszahlen liegen mit JAZ = 3,38 (Fußbodenheizung) und JAZ = 3,30 (Radiatoren) deutlich über dem Mindest-Arbeitszahlbereich von JAZ = 2,7 bis 3,0. Der Unterschied zwischen beiden Wärmeüberträgern beträgt hier nur rund 0,1 JAZ-Punkt. Bei einer größeren Anzahl von Radiatorheizungen wäre die Differenz vermutlich größer. Die grafische Darstellung zeigt die Jahresergebnisse am Ausgang der Wärmepumpen (Erzeuger-Arbeitszahl). Berücksichtigt man noch die wärmepumpenspezifischen» Bei den Grundwasser- und Erdreich- Wärmepumpen ist die große Bandbreite der Jahresarbeitszahlen von 1,9 bis deutlich über 4 bemerkenswert. «Komponenten eines oft vorhanden Heizungspufferspeichers und des Brauchwasserspeichers (aber nicht den Heizkreis und dessen Umwälzpumpe), dann sinken die Jahresarbeitszahlen um rund 0,3 Arbeitszahlpunkte. Diese als System-Arbeitszahl bezeichnete Kenngröße ist nahezu unabhängig von den Kaltquellen und den Wärmesenken sowie einer getrennten oder kombinierten Warmwasserversorgung. Bei Luft- Wärmepumpen beträgt sie nur noch JAZ = 2,5 (Fußbodenheizung) bzw. 2,0 (Radiatoren). Mit dem zuletzt genannten System wird gerne bei der Altbausanierung geworben. Bei den Grundwasser- und Erdreich-Wärmepumpen ist die große Bandbreite der Jahresarbeitszahlen von 1,9 bis deutlich über 4 bemerkenswert. Hier müssen Planer, Hersteller, Bohrlochfirmen und Handwerker noch erheblich an einer Systemoptimierung der Komponenten Kaltquelle Wärmepumpe Regelung Wärmesenken Hydraulischer Abgleich arbeiten. Schließlich ist bei beiden Wärmepumpensystemen in Verbindung mit Fußbodenheizungen in drei Fällen die Werbearbeitszahl von über 4 möglich. Dagegen erreicht nur eine von 13 Luft-Wärmepumpen eine System-Jahresarbeitszahl von 3,0. Ergebnisse Warmwasser- Wärmepumpen Bild 2 zeigt die Jahresarbeitszahlen von fünf Klein- Wärmepumpen für die Brauchwassererwärmung. Drei davon arbeiten relativ gut mit einer mittleren JAZ = Heft 8 /2008 IKZ-Haustechnik 43

5 2,3 und Einzelwerten von 2,1, 2,2 und 2,5. Zwei eher schlecht als recht mit einer JAZ = 1,4 (Einzelwerte: 1,2 und 1,5). Die Gründe für die drei besser abschneidenden Wärmepumpen liegen im höheren Warmwasserverbrauch (ca. 4 m³/monat statt 2 m³/monat) und in der Nutzung der warmen Abluft aus Küche, Bad und Heizungsraum (Wärmekurzschluss). Alle Warmwasser-Wärmepumpen erreichen aber bei Weitem nicht das Klimaschutzziel mit einer Arbeitszahl von mehr als JAZ = 3,0. Dieser Wärmepumpentyp sollte deshalb nicht mehr zum Einsatz kommen. Zusammenfassung Die Messwerte des ersten Jahres von Oktober 2006 bis September 2007 zeigen deutlich, dass es erhebliche Unterschiede gibt zwischen den Leistungszahlen auf den Testständen und den Werbeaussagen der Hersteller auf der einen Seite und der realen Welt der Jahresarbeitszahlen auf der anderen Seite. Der Grund: Hersteller messen die Leistungszahlen auf den Testständen unter günstigen Rahmenbedingungen, die in der Praxis nicht einzuhalten sind. Und die Richtlinie VDI 4650 rechnet dann empirisch und zum Teil recht optimistisch auf Jahresarbeitszahlen hoch. So kommt es, dass die Arbeitszahlen in der Praxis» Luft-Wärmepumpen in Verbindung mit Radiatoren brauchen wegen des höheren Temperaturniveaus rund 25 % mehr Strom. «oft um 0,5 bis 1,0 Punkte unter den berechneten liegen. Die Jahresergebnisse des Feldtests Elektro-Wärmepumpen am Oberrhein sind vergleichbar oder sogar besser als die Ergebnisse früherer Felduntersuchungen in Norddeutschland, der Schweiz, in Hessen oder in Baden. Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht. Das Ergebnis: Die primärenergetischen Erzeugeraufwandszahlen = Primärenergiefaktor PEF /JAZ (letzte Spalte) und die Systemaufwandszahlen (Definitionen siehe Internetadresse in der Tabellen-Legende) von Luft- Wärmepumpen sind mit Brennwertkesseln vergleichbar. Sie liegen nicht nennenswert darunter und tragen deshalb nur in ganz wenigen Einzelfällen zum Klimaschutz bei. Zu diesem Schluss kommen auch andere Felduntersuchungen. Anders dagegen die Erdreich-Wärmepumpen. Deren Aufwandszahlen sind um etwa 25 % besser (niedriger) als die von Brennwertkesseln. Somit hat sich in den letzten Jahren bei den Arbeitszahlen wenig geändert. Es wundert deshalb schon, dass manche Fachleute über das mäßige Abschneiden von Luft-Wärmepumpen erstaunt sind oder zu den Ergebnissen keine Stellung nehmen wollen. Empfehlungen für die Praxis Auf der Basis der vorliegenden Fakten und Zahlen des Feldtests Elektro-Wärmepumpen empfiehlt die Lokale Agenda 21 Gruppe Energie Folgendes: Einsatz von Erdreich-Wärmepumpen in Verbindung mit Fußbodenheizungen. Dieses System reduziert bei einer in der Praxis ermittelten Jahresarbeitszahl von im Mittel 3,4 den Primärenergieeinsatz gegenüber einem Brennwertkessel deutlich. Verzicht auf einen Heizungspufferspeicher bei Fußbodenheizungen, weil diese schon einen ausreichend hohen thermischen Puffer darstellen. Der Gewinn: plus 0,1-Arbeitszahlpunkt und geringere Investitionskosten. Außerdem: Die Fußbodenheizungen etwas großzügiger auslegen (max. 30 statt 35 C Vorlauftemperatur) und ganz wichtig: hydraulisch abgleichen. Kombinierte Wärmepumpensysteme für Heizung und Warmwasser, weil die getrennte Warmwasserversorgung keine ökologischen Vorteile bringt. Das erübrigt die ineffizienten Elektro-Standspeicher und Warmwasser-Wärmepumpen und spart Geld. Verzicht auf den Einsatz von Luft-Wärmepumpen, weil sie unter realistischen Betriebsbedingungen nur in wenigen Einzelfällen energieeffizient arbeiten. Das Mittel der System-Arbeitszahl bei Fußbodenheizungen beträgt 2,5 und bei Radiatorheizkörpern (empfohlen für die Altbausanierung) nur noch 2,0. Das Nein zu Luft-Wärmepumpen lässt sich nachvollziehbar begründen. Zum einen finden die Energieeffizienzmessungen in der wärmsten Gegend Deutschlands statt (Jahresmittel 10,5 C). In der übrigen Bundesrepublik dürfte wegen der kälteren Witterung (z. B. Bremen 6,5 C) mit niedrigeren Arbeitszahlen zu rechnen sein. Außerdem ist um den Gefrierpunkt herum ein vermehrter elektrischer Energiebedarf für das Auftauen des Lamellenverdampfers notwendig, und an den häufiger auftretenden Frosttagen benötigt der Not-Heizstab mehr Strom. Zum anderen war die erste Heizperiode des Feldtests die wärmste seit Aufzeichnung der Wetterdaten im Jahre Die Umgebungstemperatur lag von Oktober 2006 bis März 2007 im Mittel um knapp 3 C über dem 30-jährigen Mittel, gemessen am Lahrer Flugplatz zwischen 1961 und 1990; im Januar 2007 lag sie sogar um fast 5 C höher. Wenn also in diesem sehr milden Winter die meisten Luft-Wärmepumpen nicht zum Klimaschutz beigetragen haben, dann tun sie das in einem Normal-Winter erst recht nicht. Mit solchen Wärmepumpenanlagen lässt sich das Klimaschutzziel der Bundesregierung für 2020 nicht erreichen. Fazit nach einem Jahr: Es gibt noch Verbesserungspotenzial in Sachen Wärmepumpe. Die Hersteller sind aufgefordert, ihre Komponenten und Systeme weiterhin zu optimieren. Planer und Handwerker müssen mehr als bisher das Gesamtsystem Kaltquelle Wärmepumpe Wärmesenke betrachten. Anlagen müssen bestmöglich ausgelegt und installiert werden. Der hydraulische Abgleich des Systems ist dabei ebenso ein Muss wie niedrige Vorlauftemperaturen im Rohrnetz. Diese Maßnahmen würden den Wärmepumpen einen deutlichen Umweltvorteil verschaffen. 44 IKZ-Haustechnik Heft 8 /2008