Dennis L.
Die Realisierung der Energiewende ist eng mit der Modernisierung bestehender Gebäude verknüpft. Neben den architektonischen Maßnahmen, die dazu dienen, den Bedarf an Heizwärme zu reduzieren, liegt der Fokus ebenso auf der Verbesserung der Heizsystemeffizienz. Ein zusätzliches Element in der Umgestaltung des Energiesystems ist die zweckmäßige Verknüpfung von Strom- und Wärmesektoren. In diesen beiden Bereichen können elektrische Wärmepumpen einen maßgeblichen Beitrag leisten.
Freiburg (Deutschland). Inzwischen wird nahezu die Hälfte aller Neubauten mit einer Wärmepumpe beheizt. Im Jahr 2019 wählten 46 Prozent der Immobilienbesitzer eine Wärmepumpe zur Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser. Es steht fest, dass sie in Neubauten effizient und somit umweltfreundlich Wärme erzeugen. Ob sie auch in älteren Wohngebäuden ausreichend Wärme bereitstellen und dabei CO2-Emissionen reduzieren können, war lange Zeit nicht systematisch erforscht. Doch gerade diese Erkenntnisse sind für die Wärmewende von entscheidender Bedeutung, da ihr Erfolg wesentlich von der Modernisierung des Gebäudebestandes und der Nutzung klimafreundlicher Heizmethoden abhängt. Der bestehende Gebäudebestand ist für etwa 30 Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutschland verantwortlich. Darüber hinaus ist es wichtig zu erwähnen, dass Wärmepumpen eine wichtige Rolle in der Erreichung der Klimaziele der Regierung spielen können. Ferner, da sich die Technologie ständig weiterentwickelt, können zukünftige Verbesserungen der Wärmepumpentechnologie eine noch effizientere Nutzung ermöglichen.
Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebungsluft Energie. Dieser Prozess wird durch die Verwendung eines Kältemittels ermöglicht, das die Fähigkeit hat, Wärme auch bei niedrigen Temperaturen aufzunehmen. Wenn das Kältemittel mit der Umgebungsluft in Kontakt kommt, nimmt es die Wärme auf und verdampft dabei. Der gasförmige Zustand des Kältemittels erlaubt die Lagerung und den Transport dieser Wärmeenergie.
In der nächsten Phase wird das gasförmige Kältemittel durch einen Kompressor verdichtet, wodurch sich dessen Temperatur erhöht. Diese hohe Temperatur ermöglicht es, die gespeicherte Energie effizient an das Heizsystem des Gebäudes abzugeben.
Nachdem das Kältemittel die Wärme abgegeben hat, durchläuft es einen Kondensator. Hier verliert es seine Wärme an das Heizsystem und wird wieder zu einer Flüssigkeit. Im letzten Schritt des Zyklus durchläuft das nun flüssige Kältemittel ein Expansionsventil, wodurch sein Druck und somit auch seine Temperatur abnehmen.
Mit der verringerten Temperatur ist das Kältemittel nun wieder bereit, den Zyklus von vorn zu beginnen. Es entzieht der Umgebungsluft Energie und der Prozess beginnt von neuem. Dieser Kreislauf ermöglicht es der Wärmepumpe, auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen effektiv Wärme zu erzeugen und diese zur Erhitzung des Gebäudes zu nutzen.
Die Zeiten der Ungewissheit gehören nun der Vergangenheit an. Dr. Marek Miara, der Leiter für Wärmepumpenforschung am Fraunhofer ISE, berichtet, dass die Wärmepumpen in der aktuellen Forschungsstudie beständig und zuverlässig Wärme liefern und nur minimale Betriebsstörungen aufgetreten sind. Er merkt an, dass offensichtliche Installations- oder Parametrierungsfehler im Vergleich zu älteren Feldtests viel seltener vorkommen. Dies führt er auf den Kompetenzzuwachs bei Herstellern und Installateuren in den letzten zehn bis fünfzehn Jahren zurück. Trotzdem betont Miara, dass es noch Raum für Verbesserungen gibt, beispielsweise durch zusätzliche Qualitätssicherungsmaßnahmen bei Installation und Betrieb, die durch digitale Technologien unterstützt werden können.
Die untersuchten Wärmepumpen stellen auch eine klimafreundlichere Alternative zu fossilen Heizsystemen dar. Basierend auf den Messungen des Jahres 2018, waren die berechneten CO₂-Emissionen der getesteten Luft-Wärmepumpen zwischen 27 und 52 Prozent niedriger als sie es bei einer Wärmeversorgung der gleichen Gebäude mit Gas-Brennwertheizungen gewesen wären. Die CO₂-Emissionen der Geothermie-Wärmepumpen waren sogar zwischen 45 und 61 Prozent geringer. Mit dem kontinuierlichen Ausbau von Wind- und Solarenergie wird sich der CO₂-Ausstoß für Strom weiter reduzieren, was zu weiteren Senkungen der CO₂-Emissionen führen wird. Selbst bei einem konservativen Ausbauszenario erneuerbarer Energien sind mittelfristig Einsparungen von mehr als 50 Prozent bei den CO₂-Emissionen realistisch.
Das Fraunhofer ISE hat Daten von 41 Wärmepumpen ausgewertet, die alle den gleichen Auswertungszeitraum und die gleiche Bilanzgrenze aufweisen. Für den Zeitraum von Juli 2018 bis Juni 2019 hat das Institut die Leistung von 29 Luft-Wärmepumpen zur Raum- und Trinkwassererwärmung analysiert. Die Leistungszahlen (JAZ) dieser Anlagen lagen zwischen 2,5 und 3,8, wobei der durchschnittliche Wert 3,1 betrug. Zwei Anomalien mit überdurchschnittlich hohen JAZ-Werten wurden bei dieser Berechnung außer Acht gelassen. Im Fall der zwölf analysierten Geothermie-Wärmepumpen wurden JAZ-Werte zwischen 3,3 und 4,7 ermittelt, mit einem durchschnittlichen Wert von 4,1. Bei der Auswertung dieser Wärmepumpen wurde eine Anlage mit besonders niedrigem JAZ-Wert nicht berücksichtigt.
Die höchsten erforderlichen Vorlauftemperaturen für die Raumheizung beliefen sich bei den 27 analysierten Luft-Wärmepumpen durchschnittlich auf knapp 44 Grad Celsius, während sie bei den elf geprüften Geothermie-Wärmepumpen leicht über 45 Grad Celsius lagen (jeweils ohne Berücksichtigung der Ausreißer). Miara weist darauf hin, dass im Kontext von Bestandsgebäuden oft über die benötigten Heizkreistemperaturen beim sogenannten Normauslegungspunkt debattiert wird - dies sind die Heizkreistemperaturen bei sehr niedrigen Außentemperaturen von minus zwölf bis minus 16 Grad Celsius. Doch solch extrem kalte Tage sind sehr selten. Vielmehr sind für die Effizienz vor allem die benötigten Temperaturen entscheidend, wenn am meisten geheizt wird, also bei Temperaturen knapp über null Grad Celsius, führt der Experte für Wärmepumpen aus. Daher haben die seltenen Extremtemperaturen in der jährlichen Bilanz kaum eine Auswirkung.
Der Energieverbrauch der elektrischen Heizstäbe, die die Wärmepumpe bei besonders niedrigen Temperaturen unterstützen, war bei den untersuchten Anlagen von geringer Bedeutung. Bezogen auf alle Luft-Wärmepumpen, die mit einem Elektroheizstab ausgestattet waren (24 von 29), machte der Anteil der Arbeit des Heizstabs nur 1,9 Prozent aus. Ein nennenswerter Betrieb der Heizstäbe wurde lediglich infolge falscher Einstellungen, bei Defekten oder zur Verhinderung von Legionellen festgestellt. Bei den Geothermie-Wärmepumpen setzten lediglich zwei von zwölf Anlagen die Heizstäbe überhaupt ein.
Trotz aller positiven Aspekte ist die Implementierung von Wärmepumpen in bestehenden Gebäuden keine Selbstverständlichkeit. Miara unterstreicht, dass ein effizienter Betrieb nicht ausschließlich von der Qualität und Effizienz der Wärmepumpe abhängt, sondern maßgeblich von externen Faktoren beeinflusst wird. Dazu zählen insbesondere das energetische Niveau des Gebäudes und das installierte System zur Wärmeübertragung. Die im Projekt gesammelten Daten zeigen, dass das Alter des Gebäudes keinen signifikanten Einfluss hat. Zudem ist ein Wechsel zu Flächenheizsystemen nicht zwangsläufig notwendig, da die Studienergebnisse aufzeigen, dass Heizkörper mit verhältnismäßig niedrigen Temperaturen betrieben wurden. Aktuell sind auf dem Markt Heizkörper erhältlich, die bei gleichem Platzbedarf deutlich niedrigere Heizkreistemperaturen erfordern. "Der Gesamterfolg hängt von sorgfältiger Planung und Installation ab", fasst Miara zusammen, und betont, dass Heizungsinstallateure und Planer dabei eine Schlüsselrolle spielen.
Die im Rahmen des Projekts geprüften Gebäude sind zwischen 15 und 170 Jahre alt. Gebäude, die vor der ersten Wärmeschutzverordnung von 1979 erbaut wurden, wurden in verschiedenem Maße renoviert, während Renovierungen bei jüngeren Gebäuden kaum Auswirkungen auf die energetische Beschaffenheit der Gebäudehülle hatten. Der spezifische Heizwärmebedarf aller Gebäude, bereinigt um Wettereinflüsse, variiert zwischen 50 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m²a) und 250 kWh/m²a.
Das Fraunhofer ISE hat in diesem Projekt ebenfalls die Integration von elektrischen Wärmepumpen in ein intelligentes Stromnetz untersucht. Im Mittelpunkt standen die Funktionen des SG-Ready-Labels, das Wärmepumpen auszeichnet, die für ein Smart Grid bereit sind. Simulationsberechnungen haben die Nützlichkeit der intelligenten Steuerung bestätigt und für eine Gruppe von mindestens 250 Wärmepumpen eine zuverlässige Veränderung der Last belegt. Im Rahmen der Feldstudie an neun Wärmepumpen, die über SG-Ready gesteuert wurden, konnte die technische Umsetzung getestet und die Auswirkungen der intelligenten Regelungsansätze sowie die Eigenschaften der Anlagen auf die Verschiebung der Last festgestellt werden.
