Wärmepumpen in Bestandsgebäuden

Um die Folgen des Klimawandels abzumildern, ist eine drastische Absenkung der CO₂-Emissionen unabdingbar. Mit der Novelle des Klimaschutzgesetzes wurde für Deutschland das Ziel der Klimaneutralität für das Jahr 2045 festgelegt. Die nun angepassten Pfade zur Erreichung der Klimaschutzziele sehen im Verhältnis zum Basisjahr 1990 eine Verringerung der Treibhausgasemissionen um 65 % bis 2030 und um 88 % bis 2040 vor. Für den Gebäudesektor bedeutet dies eine Emissionsreduktion von 118 Mio. t CO₂ im Jahr 2020 auf 67 Mio. t CO₂ im Jahr 2030. Das heißt, in diesem Zeitraum muss eine Reduktion um 43 % erfolgen.¹⁾

¹⁾https://www.bmu.de/pressemitteilung/novelle-des-klimaschutzgesetzes-vom-bundestag-beschlossen, Pressemitteilung des BMU vom 24.06.2021

Die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung von Gebäuden ist ein zentraler Hebel, um diese Reduktionsziele zu erreichen. Insbesondere im Bestand besteht großer Anpassungsbedarf. Hier ist zusätzlich zur Verbesserung der Gebäudehüllen mit dem Ziel der Reduktion des Wärmebedarfs eine möglichst zügige Umstellung der Wärmeversorgung auf CO₂-arme bzw. klimaneutrale Technologien notwendig. Dazu eignen sich maßgeblich Wärmepumpen, die der Umwelt Wärme entziehen und diese mit Hilfe von elektrischer Energie auf ein nutzbares Temperaturniveau anheben. Sie stellen so unter Einsatz von 1 kWh Strom ca. 3 bis 4 kWh Nutzwärme bereit. Die zugeführte elektrische Energie zeichnet sich in Deutschland durch einen hohen, stetig steigenden Anteil erneuerbarer Energie aus, so dass Wärmepumpen schon heute erheblich zur Dekarbonisierung beitragen. Zahlreiche Energiesystemstudien sehen in Wärmepumpen die dominierende Technologie in der Wärmeversorgung der Zukunft.²⁾

²⁾ Wietschel, M.; Zheng, L.; Arens, M.; Hebling, C.; Ranzmeyer, O.; Schaadt, A.; Hank, C.; Sternberg, A.; Herkel, S.; Kost, C.; Ragwitz, M.; Herrmann, U.; Pfluger, B. (2021): Metastudie Wasserstoff – Auswertung von Energiesystemstudien. Studie im Auftrag des Nationalen Wasserstoffrats. Karlsruhe, Freiburg, Cottbus: Fraunhofer ISI, Fraunhofer ISE, Fraunhofer IEG (Hrsg.)

Zögerlicher Einsatz im Bestand

Der Einsatz von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden erfolgt zurzeit noch schleppend. Häufig herrscht die Auffassung, dass Wärmepumpen hauptsächlich in Neubauten und energetisch anspruchsvoll sanierten Gebäuden sinnvoll sind. Bei der Diskussion über ihre Möglichkeiten in Bestandsgebäuden wird meist die zu Grunde gelegte, sehr hohe Heizkreisvorlauftemperatur als Hauptgegenargument angeführt. Diese würde zu einer schlechten Effizienz der Wärmepumpen führen und sei folglich ein Ausschlusskriterium für den Einsatz von Wärmepumpen. Um zu einer stärker evidenzbasierten Diskussion zu gelangen, wurden am Fraunhofer ISE umfangreiche Daten von Wärmepumpensystemen in bestehenden Ein- und Zweifamilienhäusern erhoben. Auf Basis dieser Daten ist es möglich, sich den folgenden Fragestellungen zu nähern: Wie hoch sind die tatsächlich notwendigen Vorlauftemperaturen in der Praxis? Welche Wärmepumpeneffizienzen werden im Bestand im Feld beobachtet?

Heizkreistemperaturen: niedriger als erwartet

Im Projekt WPSmart im Bestand (Förderung durch das BMWi, FKZ 03ET1272A) wurden 41 Wärmepumpenanlagen in Bestandsgebäuden messtechnisch evaluiert. Bei der Auswertung der Messdaten wurde deutlich: Im realen Betrieb treten relativ niedrige mittlere Vorlauftemperaturen auf. Dies wird im Folgenden an einem Fallbeispiel eines teilsanierten Gebäudes mit drei Wohneinheiten und einem flächenspezifischen Jahresenergieverbrauch von ca. 90 kWh/(m² a) dargestellt. Das Gebäude wird mit einer Außenluftwärmepumpe versorgt und nutzt vorhandene Plattenheizkörper. Bild 2 zeigt die Tagesmittelwerte der Vor- und Rücklauftemperaturen für einen Zeitraum von einem Jahr. Es wird deutlich, dass die Normaußentemperatur nicht erreicht wurde und daher kein Betrieb mit Auslegungs-Heizkreistemperaturen erfolgte. Es ist hingegen eine Häufung von Betriebszuständen bei Außentemperaturen zwischen 0 und 10 °C zu beobachten.

Bestimmend für den Betrieb und die Jahreseffizienz (Jahresarbeitszahl JAZ) sind folglich nicht die Auslegungstemperaturen, sondern es ist die energiegewichtete mittlere Heizkreistemperatur. Hier wird der Mittelwert aus Vor- und Rücklauftemperatur mit der Energiemenge gewichtet, die bei diesen Temperaturen übertragen wird. Für das dargestellte Beispiel liegt die mittlere Heizkreistemperatur bei 35,8 °C. Es wird eine sehr gute Jahresarbeitszahl für den Heizbetrieb von 4,0 erreicht.

Nach tiefergehender Analyse des gesamten Datenbestands konnten auch die – oft als notwendig erachteten – hohen Vorlauftemperaturen detektiert werden. Diese traten aber nur an den kältesten Tagen und nur bei einigen Wärmepumpenanlagen auf. Diese Tage waren allerdings so selten, dass sie auf die Gesamteffizienz der Anlagen kaum einen Einfluss hatten. Selbst bei unsanierten Wohngebäuden mit alten Heizkörpern mussten Wärmepumpen eine Vorlauftemperatur von lediglich ca. 55 °C erzielen, um eine angenehme Raumwärme zu gewährleisten. Zusammenfassend sei gesagt: Nicht die maximalen, sondern die mittleren Heizkreistemperaturen sind für die Gesamteffizienz ausschlaggebend. Dabei liegen die gemessenen mittleren Heizkreistemperaturen niedriger als erwartet.

Wärmepumpeneffizienz im Bestand

Der Zusammenhang zwischen der mittleren Heizkreistemperatur und der Effizienz der Wärmepumpenanlage im Heizbetrieb ist in Bild 3 dargestellt. Die Graphik zeigt die gemessenen Jahresarbeitszahlen des Heizbetriebs von 15 Erdreich-Wärmepumpenanlagen und 35 Außenluftwärmepumpenanlagen in Bestandsgebäuden. Hier zeichnet sich die Abhängigkeit der Effizienz des Heizbetriebs von der mittleren Heizkreistemperatur ab. Mit jedem Grad sinkender mittlerer Heizkreistemperatur steigt die Effizienz im Heizbetrieb um etwa 0,1 K. Dieser Zusammenhang konnte auch in der Gebäudeanlagensimulation nachgebildet werden (hier nicht dargestellt).

Auch Bestandsgebäude mit bestehenden Heizkörpern können sinnvoll mit Wärmepumpen beheizt werden. Häufig sind die Wärmeübergabesysteme hier überdimensioniert. Dadurch ist es beim Tausch der Heizungsanlage meist möglich, die im System eingestellte Vorlauftemperatur abzusenken und die Wärmepumpe effizienter zu betreiben. Mit Hilfe gering-investiver Maßnahmen wie einem gezielten Austausch einzelner Heizkörper lässt sich die Effizienz weiter erhöhen.

Eine zusammenfassende Übersicht der gemessenen Jahresarbeitszahlen von zwei Feldteststudien in Bestandsgebäuden ist in Bild 4 dargestellt. Die hier aufgeführten JAZ umfassen die Bereitstellung von Wärme für die Raumheizung und für die Trinkwassererwärmung. Auch der Strombedarf der zusätzlichen Elektroheizstäbe wurde bei der Berechnung der Werte berücksichtigt. Die Projekte wurden im Abstand von ungefähr zehn Jahren durchgeführt. Die Verbesserung der mittleren JAZ z. B. von 3,3 auf 4,1 bei Erdreichwärmepumpen lässt sich deswegen teilweise mit der technologischen Verbesserung der Geräte erklären. Ein weiterer Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse ist ein anderer energetischer Zustand der untersuchten Gebäude. Im ersten Projekt wurden überwiegend nicht sanierte Gebäude untersucht, die zu 90 % mit Heizkörpern beheizt wurden. Im zweiten Projekt (WPSmart im Bestand) waren zwar alle Häuser zwischen 15 und 150 Jahre alt, aber einige waren teil- bzw. vollständig saniert worden.

Im Zeitraum Juli 2018 bis Juni 2019 erreichten die 29 untersuchten Außenluftwärmepumpen Jahresarbeitszahlen von 2,5 bis 3,8. Der Mittelwert lag bei 3,1. Zwei Ausreißer mit besonders guten JAZ in vollsanierten Häusern wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Für die zwölf Erdreichwärmepumpen wurden JAZ zwischen 3,3 und 4,7, bei einem Mittelwert von 4,1, ermittelt. Bei den Erdwärmepumpen wurde ein negativer Ausreißer mit 1,8 nicht berücksichtigt. Bereits mit dem heutigen Strommix werden bei diesen Jahresarbeitszahlen signifikante CO₂-Einsparungen im Vergleich zu einer Gasheizung mit Solarthermieunterstützung erreicht (33 % bei JAZ 2,5 und 63 % bei JAZ 4,5)³⁾. Damit wird deutlich: Wärmepumpen können auch in Bestandsgebäuden die benötigte Wärme mit guter Effizienz bereitstellen.

³⁾ Miara, M. (2021): Blog Innovation4E: Wärmepumpen im Bestand, Folge 7; Emissionsfaktoren: Strom 2019: 401 g/kWh (Umweltbundesamt); Gas 2019: 240 g/kWh (GEMIS 2019). https://blog.innovation4e.de/2021/02/10/waermepumpen-im-bestand-eine-serie-in-12-folgen/