Forscher untersuchen Effizienz von Wärmepumpen
Rund ein Drittel des gesamten Energieverbrauchs in Deutschland dient dem Heizen von Gebäuden und der Erwärmung von Brauchwasser. Energiesparende und klimafreundliche Techniken sind daher gefragt. Vielfach diskutiert wird in diesem Zusammenhang die Wärmepumpe, deren zunehmende Beliebtheit steigende Verkaufszahlen belegen. Eine breit angelegte Felduntersuchung des Fraunhofer ISE klärt derzeit die Frage, unter welchen Voraussetzungen eine Wärmepumpenanlage effizient arbeitet. VDI nachrichten, Düsseldorf, 6. 2. 09, mg
Wärmepumpen nutzen die Außenluft, das Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle. Neben oberflächennahen Wärmeabsorbern kommen derzeit verstärkt tiefe Erdsonden zum Einsatz. Wärmepumpen können Umweltwärme niedriger Temperatur – z. B. aus dem Erdreich mit 0 °C bis 10 °C – auf ein höheres Niveau, im Allgemeinen auf 30 °C bis 65 °C anheben. Obwohl Wärmepumpen seit mehr als 50 Jahren Wohngebäude beheizen, erfuhr die Technologie erst in den 80er-Jahren ihre erste Boomphase. Derzeit erlebt sie ihre zweite Blütezeit: Die Technik ist heute ausgereift.
In Zusammenarbeit mit den sieben Herstellern Alpha-InnoTec, Hautec, Bosch Thermotechnik, Nibe, Stiebel Eltron, Vaillant, Viessmann und den beiden Energieversorgern E.on und EnBW erfasst das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) die Daten von 110 Wärmepumpenanlagen in einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt. Zurzeit liegen bereits die Messdaten von knapp 90 Anlagen vor. Schwerpunkt der Untersuchung sind Wärmepumpen von 5 kW bis 10 kW Wärmeleistung mit den Wärmequellen Außenluft und Erdreich in neu gebauten Häusern mit einem Heizwärmebedarf zwischen 50 kWh und 100 kWh pro Jahr und m2 Fläche. Ziel ist die Analyse der Effizienz verschiedener Anlagenkonzepte bei verschiedenen Einsatzbedingungen.
„Richtig an den Wärmebedarf angepasste Wärmepumpen mit einer gut funktionierenden Regelung bringen gegenüber einer mit fossilen Brennstoffen versorgten Anlage eine Minderung sowohl des Primärenergieverbrauchs als auch der CO2-Emissionen“, sagt Fraunhofer ISE-Projektleiter Marek Miara. „Weil wir die Daten minütlich erfassen, können wir besonders gut die Einbindung in das Heizsystem untersuchen und den Herstellern Hinweise zur Verbesserung geben.“
Zwei Größen beschreiben im Wesentlichen die Effizienz von Wärmepumpen. Die Leistungszahl wird auf dem Prüfstand unter Normbedingungen für eine Reihe typischer Arbeitspunkte ermittelt. Die Jahresarbeitszahl, die das Verhältnis der erzeugten Nutzwärme zur eingesetzten elektrischen Energie angibt, beschreibt die Effizienz der Wärmepumpenanlage unter realen Bedingungen über ein Jahr.
Bei elektrischen Wärmepumpen empfehlen Experten die Jahresarbeitszahl von mindestens 3,0. Berechnet nach DIN 4701-10 mit dem derzeitigen Primärenergiefaktor des deutschen Stromnetzes von 2,7 nutzen Wärmepumpenanlagen sogar bereits mit einer Jahresarbeitszahl von 2,5 die Primärenergie besser als ein Gas-Brennwertkessel.
„Die vorläufigen Ergebnisse der Felduntersuchung zeigen, dass Wärmepumpen technisch grundsätzlich ausgereift sind, es jedoch Optimierungsbedarf bei der Einbindung der Anlagen in das Versorgungssystem des Hauses und bei den Reglungsstrategien der Wärmepumpenanlagen gibt“, erklärt Miara. „So können eine schlecht eingebundene Wärmequelle oder eine nicht korrekt ausgelegte Wärmeverteilung die Arbeitszahl der Wärmepumpe verringern.“
Der Mittelwert der Arbeitszahlen liegt im Zeitraum November 2007 bis Oktober 2008 bei 3,7 für Erdreich, 3,0 für Luft und 3,5 für Grundwasser als Wärmequelle. Bisher liegen für 43 Erdreich-, sechs Luft-, und vier Wasserwärmepumpenanlagen ausreichende Messdaten vor. Alle gemessenen Wärmepumpen liefern Wärme sowohl für Heizung als auch für Warmwasser. Die elektrische Zusatzheizung (z. B. Heizstab) wird bei der Berechnung der Arbeitszahlen berücksichtigt.
Die mittleren Arbeitszahlen der Solewärmepumpenanlagen von 3,7 für die Bereitstellung der Heizwärme als auch für die Erwärmung des Brauchwassers lassen die Beteiligten hoffen, dass diese Wärmepumpen schon bald im Durchschnitt die oft zitierten Jahresarbeitszahlen von vier erreichen werden. Mehrere Anlagen, die im Feldtest mittlere Arbeitszahlen von über vier erreicht haben, zeigen, was im Bereich des Möglichen liegt. Für den reinen Heizbetrieb der Wärmepumpenanlagen liegt der Mittelwert der Arbeitszahlen bei 4,1. Kernpunkt ist hier die sorgfältige Auslegung des Systems in seiner Gesamtheit und nicht nur seiner Einzelkomponenten.
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„Bei Luftwärmepumpen gibt es noch Optimierungspotenziale“, sagt Miara. Doch schon jetzt wiesen diese Anlagen in neuen Gebäuden im Durchschnitt gegenüber Gas-Brennwertkesseln eine positive Primärenergiebilanz auf. Um die Ökobilanz weiter zu verbessern, sollten die Arbeitszahlen der Luft-Wärmepumpen jedoch deutlicher über 3,0 liegen.
Das Projekt „Wärmepumpen-Effizienz“ läuft noch bis Sommer 2010. Das Bundeswirtschaftsministerium finanziert 50 % der Gesamtkosten. IF
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