Solarpraxis Supernova AG • Torstrasse 177 • 10115 Berlin

Feldtestergebnisse für Sole- und Luft-Wärmepumpen
Dipl.-Ing. Marek Miara, Dr.rer.nat. Christel Russ, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE,
Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg, Fon:++48 761-4588-5529, Fax: -9529,
[email protected]
1. Einleitung
In zwei Projekten des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE wird jeweils eine große
Anzahl von Wärmepumpen im realen Einsatz vermessen. Dabei werden mit hoher zeitlicher Auflösung
Volumenströme, Temperaturen, Wärmemengen und Stromverbräuche erfasst und per
Datenfernabfrage täglich am Institut gespeichert und ausgewertet. Aus den Messergebnissen werden
Kennwerte, das Systemverhalten, Gütegrade und Korrelationen zu Anlagenstammdaten abgeleitet.
Die untersuchten Wärmepumpen nutzen Außenluft, Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle.
Das Fraunhofer ISE wird bis September 2010 in dem Feldtest „WP-Effizienz“ ca. 110 Wärmepumpen
in Einfamilienhäuser vermessen. In Zusammenarbeit mit den Herstellern Alpha-InnoTec, Hautec,
Bosch Thermotechnik (mit den Marken Junkers und Buderus), NIBE, Stiebel Eltron, Vaillant und
Viessmann und den Energieversorgern EnBW und E.ON Energie untersucht das Institut, wie gut
elektrische Wärmepumpen den Wärmebedarf von Niedrigenergiehäusern decken können und wie
effizient sie dabei sind. Vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie erfährt das Projekt
eine Förderung von 50% (Förderkennzeichen 0327401A). Die Energieversorger und die Hersteller
begleiten das Projekt inhaltlich und fördern es finanziell.
In einem parallelen, von der E.ON Energie AG finanzierten Projekt, untersucht das Fraunhofer ISE 73
Wärmepumpen größerer Wärmeleistung in nicht sanierten Bestandsgebäuden. Die Anlagen werden
bei E.ON Kunden, die vorher mit Ölkesseln geheizt haben, eingesetzt. Das Institut prüft in der
wissenschaftlichen Untersuchung, neben der Effizienz der eingesetzten WP, die Sicherung der
Wärmeversorgung der Gebäude und stellt einen ökologischen und wirtschaftlichen Vergleich
gegenüber dem Einsatz einer neuen Ölheizung an. Die Sensorik und die Messwerterfassung
entsprechen denen im obigen Projekt.
2. Auswertung der Messdaten
Die sehr detaillierte Messdatenerfassung sowie die große Anzahl untersuchter Anlagen erlauben
unterschiedlichen Fragestellungen nachzugehen und interessante Korrelationen anhand von
Messdaten aus zwei Jahren (2008 sowie 2009) herzustellen.
2.1
Solevorlauftemperaturen
Die Abbildung 1 zeigt die Zusammenhänge zwischen Solevorlauftemperaturen und Außentemperaturen bei Erdreichwärmepumpenanlagen mit Erdsonden. Beide Größen sind als
Tagesmittelwerte in der Zeitperiode zwischen Juli 2007 und März 2010 dargestellt. Die grauen Kurven
bilden die Solevorlauftemperaturen der einzelnen Anlagen und die rote Kurve die Mittelwerte ab. Die
blaue Linie zeigt die mittlere Tagesaußentemperaturen (Quelle: Deutscher Wetterdienst). Anhand der
Grafik lässt sich keine Abkühlung des Erdreichs in der untersuchten Zeitperiode feststellen. Trotz des
eher strengen Winters 2009/2010 sind die Mittelwerte der Solevorlauftemperatur auf dem Niveau aus
den Heizperioden 2007/2008 sowie 2008/2009 geblieben. Gleiche Tendenz zeigen die minimalen
Solevorlauftemperaturen – in allen drei Heizperioden haben die Temperaturen die Grenze von 0°C
nicht unterschritten. Für die Beurteilung und/oder Feststellung einer langfristigen Entladung des
Erdreiches ist die ausgewertete Zeitperiode zu kurz. Erst mit den Erfahrungen aus mehreren
Heizperioden kann die Entladung belastbar festgestellt und ausgewertet werden.
1
Abb. 1: Solevorlauftemperaturen und Außentemperaturen bei Erdreichwärmepumpenanlagen mit Erdsonden
2.2
Arbeitszahlen aus dem Projekt „WP-Effizienz“ (Neubau)
Sole/Wasser-Wärmepumpen
Die monatlichen Arbeitszahlen der Erdreich-Wärmepumpen aus dem Projekt „WP-Effizienz“ zeigt
Abb. 2. Im Zeitraum zwischen Januar 2008 und Dezember 2010 beträgt der Mittelwert für die
erfassten Arbeitszahlen der Sole/Wasser-Wärmepumpenanlagen 3.9. Insgesamt konnten bis zu 62
Anlagen ausgewertet werden. Die Zahlen auf den Monatsbalken entsprechen den jeweils
berücksichtigten Anlagen. Die Balken auf den dargestellten monatlichen Arbeitszahlen geben die
Heiz- (rot) und Trinkwarmwasserenergie (blau) in absoluten Werten, die Kreisdiagramme darunter die
entsprechenden relativen Werte, wieder.
Die Anlagen sorgen sowohl für die Bereitstellung der Heizwärme als auch für die Erwärmung des
Brauchwassers. Die elektrische Zusatzheizung (z. B. Heizstab) wird bei der Berechnung der Arbeitszahlen berücksichtigt. Es zeigen sich die erwarteten deutlichen Unterschiede zwischen den Sommerund Wintermonaten. Der jeweilige Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Wärmesenke trägt zu
hohen Arbeitszahlen in den Winter- und niedrigeren Arbeitszahlen in den Sommermonaten bei. Die
Beladung des Trinkwasserspeichers erfolgt bei durchschnittlich 52 °C, die des Heizkreises bei 36 °C.
Die Wärmequellenanlagen teilen sich in 28 % Erdreich-Kollektoren und 72 % Erdreich-Sonden auf.
Abb. 2: Solevorlauftemperaturen und Außentemperaturen bei Erdreichwärmepumpenanlagen mit Erdsonden
2
Seit September 2008 wurde angefangen, die Anlage aus der zweiten Phase des Projektes zu
installieren. Dabei wurden die Erkenntnisse aus der ersten Phase berücksichtigt was sich positiv auf
die Ergebnisse ausgewirkt hat. Vor Allem wurden die Installationen der Wärmepumpensysteme sehr
sorgfältig durchgeführt und die einzelnen Elemente wurden einander angepasst. Teilweise wurden
auch neue Generationen der Wärmepumpen installiert.
Luft/Wasser-Wärmepumpen
Die Abbildung 3 stellt die monatlichen Arbeitszahlen für die Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen aus
dem Projekt „WP-Effizienz“ dar. Wie bei der Sole/Wasser-Wärmpumpenanlagen wurde die elektrische
Zusatzheizung (z. B. Heizstab) bei der Berechnung der Arbeitszahlen berücksichtigt.
Abb. 3: Monatliche Arbeitszahlen der Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen aus dem Projekt „WP-Effizienz“
Bei den Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen ergeben sich im Jahresverlauf wesentliche
Unterschiede im Vergleich zu den Sole/Wasser-Wärmepumpen. Während sich für letztgenannte
höhere Arbeitszahlen in den Übergangs- und Wintermonaten ergeben, zeigen Luftanlagen ihre
Stärke in der Übergangszeit und teilweise in den Sommermonaten. Ähnlich wie bei den ErdreichAnlagen sorgt die Trinkwassererwärmung im Sommer für höhere Vorlauftemperaturen, verringert
den positiven Einfluss der höheren Wärmequellentemperatur und führt somit zu den geringeren
Arbeitszahlen. Anders als bei den Erdreich-Anlagen stehen Luft-Anlagen im Winter geringere
Wärmequellentemperaturen zur Verfügung, was sich wiederum in niedrigeren Arbeitszahlen
auswirkt. Da der Wärmebedarf der Gebäude unabhängig von der Wärmequelle ist, verhalten sich
die jeweils erzeugten Energien im Jahresverlauf, relativ sowie absolut, wie jene der
Erdreichanlagen. Somit findet die wesentliche Gewichtung der Arbeitszahlen für Luft-Anlagen auch
für die diesbezüglich „negativen“ Wintermonate statt, was sich in einer Arbeitszahl von 2.9 im
Betrachtungszeitraum widerspiegelt. Die niedrigsten Monatsarbeitszahlen sind im Januar und
Dezember 2010 zu beobachten. Es korreliert stark mit den niedrigsten Außentemperaturen für
diese zwei Monate (siehe Abbildung 1). Die Anzahl der auswertbaren Anlagen war erst mit Beginn
der zweiten Heizperiode (2008/09) auf einem Niveau, das belastbare Auswertungen zulässt.
2.3
Ergebnisse aus dem Projekt „WP im Gebäudebestand“ (Altbau)
Im Mittel sind im Gebäudebestand Wärmepumpen mit thermischen Leistungen von 14 kW
installiert. Die Wärmepumpen im Gebäudebestand haben insgesamt höhere Vorlauftemperaturen
im Heizkreis, für die erdgekoppelten Wärmepumpen bis 45 °C, bei den Luft/WasserWärmepumpen im Mittel bis 49 °C. In den Wintermonaten werden für die meisten Anlagen
Vorlauftemperaturen zwischen 50 °C und 55 °C erreicht, für einzelne Anlagen bis zu 65 °C.
Trinkwarmwasser wird ganzjährig zwischen 50 °C und 51 °C bereit gestellt. Der Anteil der
Warmwasserbereitung an der gesamten erzeugten Energie liegt zwischen 12 % und 14 %.
Infolge des größeren Temperaturhubes zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und den höheren
absoluten Vorlauftemperaturen im Heizkreis gegenüber den Anlagen im WP-Effizienzprojekt
werden in der vergleichbaren Messphase für die Sole/Wasser-Wärmepumpen im Mittel
Arbeitszahlen von 3,3, für die Luft/Wasser-Wärmepumpen von 2,6 erreicht. Der Trend des
3
monatlichen Verlaufs der Arbeitszahlen entspricht denen der Wärmepumpen im „WP-Effizienz“, nur
auf niedrigerem Niveau. Abbildung 4 zeigt für beide Wärmepumpentypen die mittleren monatlichen
Arbeitszahlen in der Messphase sowie die mittleren Vorlauftemperaturen für die
Trinkwarmwasserbereitung und die Heizung, die mittleren monatlichen Temperaturen für die Sole
und Außenluft sowie den Temperaturhub. Im Gegensatz zu den Sole/Wasser-Wärmepumpen im
Projekt WP-Effizienz wurden bei den Anlagen im Gebäudebestand Vorlauftemperaturen im
Sondenkreis bis zu -1,5 °C gemessen.
AZ Luft/Wasser-WP
Luft/Wasser-WP T_VL_TWW
Luft/Wasser-WP T_VL-Heizkreis
Mittelwert Sole Vorlauftemperatur
T_Heiz - Außentemperatur
6.0
5.5
45
5.0
40
4.5
35
4.0
30
3.5
25
3.0
20
2.5
15
2.0
10
1.5
5
1.0
0
0.5
Temperatur [°C]
50
-5
Arbeitszahl [-]
55
Arbeitszahl Sole/Wasser-WP
Sole/Wasser-WP T_VL-TWW
Sole/Wasser-WP T_VL-Heizkreis
Luft/Wasser-WP- Mittelwert Außentemperatur
T_Heiz - T_Sole_VL
0.0
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
08 08 08 08 08 08 08 08 08 08 08 08 09 09 09 09 09 09 09 09 09 09 09 09
Abb. 4 Sole/Wasser- und Luft/Wasser-Wärmepumpen im Gebäudebestand – Vergleich der Arbeitszahlen und
Temperaturen in Wärmequelle und Wärmesenke sowie den Temperaturhub
Aus der Untersuchung der Heizkurven der Wärmepumpen geht hervor, dass es Anlagen gibt, die
bei sehr hohen Vorlauftemperaturen über 55 °C nur eine sehr flachen Heizkurve haben bzw.
konstant über das Jahr mit einer hohen Vorlauftemperatur arbeiten. Diese Luft/WasserWärmepumpen erreichen nur eine Arbeitszahl von 2,2 und bei Sole/Wasser-Wärmepumpen von
2.5. Hier liegt noch Optimierungspotenzial zur Verbesserung der Effizienz der Wärmepumpen.
3. Zusammenfassung
Die Zwischenergebnisse zeigen, dass besonders Erdreich- Wärmepumpen in der Lage sind, auch
unter realen Bedingungen hohe Effizienz zu erreichen. Die Anlagen mit niedrigeren Vorlauftemperaturen (stellvertretend die Anlagen aus dem Neubau – Projekt „WP-Effizienz“) erreichen
deutlich bessere Effizienz als Anlagen mit höheren Temperaturniveau (Anlagen im Bestand).
Entscheidend ist dabei neben gut ausgeführten Installationen auch eine korrekte Einstellung der
Reglungsparameter – unter anderem der Heizkurve.
Es besteht jedoch Optimierungsbedarf besonders bei den Luftanlagen und bei der Einbindung der
Anlagen in das Versorgungssystem sowie bei den Reglungsstrategien. Eine schlecht
eingebundene Wärmequelle oder eine nicht korrekt ausgelegte Wärmesenke verringert die
Arbeitszahl der Wärmepumpe und beeinflussen damit die ökologische, energetische sowie
ökonomische Bilanz der gesamten Wärmeerzeugungsanlage negativ.
4