Ergebnisse eines siebenjährigen Feldtests über Wärmepumpen

Versprechen gehalten?

Nicht jede Wärmepumpe trägt zum Klimaschutz bei. Ein langjähriger Feldtest, bei dem neben Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung schwerpunktmäßig Wärmepumpen für die Heizung untersucht wurden, zeigt einen deutlichen Kontrast zwischen Werbeversprechen und Praxis. Luft-Wärmepumpen sind demnach z. B. kritisch zu sehen, erdgekoppelte Wärmepumpen sparen hingegen deutlich Primärenergie ein.

Text und Fotos: Falk Auer und Herbert Schote

In einem siebenjährigen, zweistufig aufgebauten »Feldtest Elektro-Wärmepumpen« untersuchte die unabhängig arbeitende »Lokale Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr« zwischen 2006 und 2013 an insgesamt 52 Heiz- und 13 Warmwasser-Wärmepumpen den Stand heutiger Wärmepumpentechnik, deren Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit. Ziel dieser Praxisuntersuchung war es, nicht nur den Teilnehmern, sondern auch den Planern, Energieberatern und Handwerkern verlässliche Daten über die energieeffizientesten Wärmepumpensysteme an die Hand zu geben. Dazu rüstete die Agenda-Gruppe in Zusammenarbeit mit der Ortenauer Energieagentur in Offenburg und mit finanzieller Förderung der beiden Energieversorger badenova und E-Werk Mittelbaden Wärmepumpenanlagen zwischen Freiburg im Breisgau und Baden-Baden mit Wärme- und Elektrozählern aus.
Die insgesamt 65 vermessenen, maximal vier Jahre alten Heiz- und Warmwasser-Wärmepumpenanlagen repräsentieren die Vielfalt der vorhandenen Systeme: Von den 52 Heiz-Wärmepumpen beispielsweise sind die Kaltquellen Luft (25 mal), Grundwasser (11 mal) und Erdreich (16 mal) mit einem Anteil an Fußbodenheizungen von 65 % vertreten; der Rest sind Radiatorheizkörper oder eine Mischung aus beiden. Die Wärmepumpen »arbeiten« in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie in öffentlichen Einrichtungen und liefern Wärme für Wohnräume und Trinkwasser (weitere Informationen zur Systemvielfalt gehen aus den Übersichten unter [1] und [2] hervor).
Mindest-Jahresarbeitszahl
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 zur notwendigen elektrischen Energie an deren Eingang. Dabei unterscheidet man die Erzeuger-Jahresarbeitszahl (EJAZ), gemessen direkt am Ausgang einer Wärmepumpe, und die System-Jahresarbeitszahl (SJAZ), die auch noch die Verluste eines eventuell vorhandenen Heizungspuffer- und Warmwasserspeichers berücksichtigt. Im Vergleich zur EJAZ ist die SJAZ die für den Klimaschutz wichtigere Kenngröße, weil sie die Nutzwärmen am Ausgang des Wärmepumpensystems bilanziert. Laut der Deutschen Energieagentur (dena) und des Rheinisch-Westfälischen Elektrizitätswerks (RWE) muss die JAZ bei Elektro-Wärmepumpen größer 3,0 sein, um sie als »energieeffizient«, und größer 3,5 sein, um sie als »nennenswert energieeffizient« bezeichnen zu können. Der Strom für die Umwälzpumpe des Heizkreises findet keine Berücksichtigung, weil er bei jedem Heizsystem notwendig ist.
Ergebnisse Heiz-Wärmepumpen
Abb. 2 zeigt die Messergebnisse für die Heiz-Wärmepumpen. Die Höhe der braunen Säulen stellen die durchschnittlichen JAZ in der Phase 1 dar (Basisuntersuchung). Bei den Luft-Wärmepumpen beträgt das Mittel 2,8; keine der 13 Anlagen kommt über eine JAZ von 3,0. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit einem bundesweiten Feldtest des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE (s. blauer Balken). Anders dagegen die erdgekoppelten Wärmepumpen: Deren Mittel liegen zwischen 3,1 (bei Grundwasser-Wärmepumpen) und 3,4 (Erdreich-Wärmepumpen) mit zwei maximalen Einzelwerten bei den Erdsonden-Wärmepumpen von 4,3 und 4,4 – bis auf diese zwei Werte ist das ein insgesamt mäßiges bis schlechtes Ergebnis der Basisuntersuchung. Deswegen entschloss sich die Gruppe zu einer Fortsetzung des Feldtests im Rahmen einer Phase 2, deren Ergebnisse (Einzelwerte) ebenfalls Abb. 2 zeigt.
Luft-Wärmepumpen
Danach liegt die Mehrheit der JAZ von Luft-Wärmepumpen zwischen 2,0 (was einer halben Stromheizung entspricht, denn die Hälfte des Heizwärmebedarfs wird mit Strom gedeckt) und 2,8. Darunter befinden sich auch Groß-Wärmepumpen in bis zu 10-Familienhäusern und die viel beworbenen Abluft-Wärmepumpen. Letztere haben zwar einen gewissen Charme, denn in einem Kompaktgerät lassen sich kontrollierte Wohnraumlüftung, Solarspeicher, Heizung und die Warmwasserbereitung auf kleinem Raum kombinieren, doch ließ sich bei drei Anlagen nur eine JAZ zwischen 2,6 und 2,8 ermitteln. Der Grund: Niedrigenergiehäuser haben immer noch einen zu hohen Wärmebedarf, sodass eine Überlüftung und ein damit verbundener Wärmekurzschluss stattfindet. Und beim Passivhaus ist die Luft-Wärmepumpe selbst das Problem: Je geringer die Anschlussleistung, desto geringer die Energieeffizienz. (Näheres dazu unter [3] und [4]). Ausreißer gibt es nach unten wie nach oben: Während die sogenannte thermosiphonische Verknüpfung eines Wärmepumpen-Kondensators in einem Kombispeicher sich nicht bewährt hat (roter Balken, die JAZ von 1 entspricht einer kompletten Stromheizung!), überspringen jetzt die ersten drei (grüner Balken) der insgesamt 25 untersuchten Luft-Wärmepumpen die Energieeffizienzhürde der dena und des RWE. ›
Grundwasser-Wärmepumpen
Da die Grundwasser-Wärmepumpen in Phase 1 bei Einfamilienhäusern wegen zu geringer Bohrlochdurchmesser und zu hoher Leistung der Förderpumpe im Mittel nur auf eine JAZ von 3,1 kamen, hat man sich in der 2. Phase auf vier Groß-Wärmepumpen in öffentlichen Einrichtungen und einer Reihenhaussiedlung konzentriert: Bei ihnen ist das Verhältnis der Nennleistungen von Förder- zu Wärmepumpen günstiger. Die Ergebnisse bestätigen diesen Vorteil: Drei der vier vermessenen Grundwasser-Wärmepumpen kommen auf eine JAZ von mehr als 4 (grüner Balken, Abb. 2).
Erdreich- und sonstige Wärmepumpen
Wie die Basisuntersuchung zeigte, können Erdsonden- und Erdkollektor-Wärmepumpen bei fachgerechter Planung und Ausführung ohne Weiteres eine JAZ von 4 übertreffen. Folglich wurden in Phase 2 nur Anlagen mit Neuerungen bei der Technik in das Messprogramm aufgenommen. Die Ergebnisse sind beeindruckend: Ein horizontaler Erdkollektor mit einer Direktverdampfung des Wärmepumpen-Kältemittels kommt auf eine JAZ von 4,7, eine CO2-Erdsonde (Wärmerohrprinzip) auf 5,1 und ein solarunterstützter Erdkollektor sogar auf 5,8 (grüne Balken, Abb. 2). Lediglich die Abwasser-Wärmepumpe mit Erdgasantrieb verfehlt wegen ungünstiger Rahmenbedingungen das Energieeffizienzziel (Details dazu unter [5]). Neben dieser erdgasbetriebenen Wärmepumpe erfasste das Untersucherteam auch die Energieeffizienz von zwei Luft-Wärmepumpe mit Erdgasantrieb (gelbe Balken links, Abb. 2). Auch diese konnten nicht überzeugen: Rechnet man die gemessene JAZ mit dem derzeit gültigen Primärenergiefaktor von Strom in Höhe von 2,6 um, dann liegen auch sie, wie die meisten Luft-Wärmepumpen, zwischen 2 und 3. Erdgas-Wärmepumpen sind damit bezüglich ihres Beitrags zum Klimaschutz vergleichbar oder schlechter als moderne Erdgas-Brennwertkessel.
Ergebnisse Warmwasser-Wärmepumpen
Klein-Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung mit einer Leistungsaufnahme von etwa 300 Watt-elektrisch stehen oft im Keller, aber auch zunehmend als Abluft-Wärmepumpen in Wohnräumen. Wegen der höheren Temperatur der Raumzuluft im Vergleich zur Kellerluft kommen letztere auf eine höhere Energieeffizienz.
Abb. 3 zeigt die Ergebnisse von 13 Klein-Wärmepumpen in Ein- bis Mehrfamilienhäusern. Die kellerplatzierten erreichen eine SJAZ von im Mittel nur 1,5 (rote Säulen), die in den Wohnräumen von rund 2,5 (grüne Säulen). Nur mit einem erhöhten Warmwasserverbrauch (der zugleich eine Verschwendung darstellen würde), ließen sich die Arbeitszahlen verbessern.
Die Gründe für das schlechte Abschneiden der Warmwasser-Wärmepumpen liegen in der kalten Kellerluft, zu geringem Warmwasserverbrauch (Details dazu unter [6]) und v. a. in der niedrigen Nennleistung der Aggregate: Je kleiner die Nennleistung, desto geringer die Energieeffizienz. Eine Sonnenkollektoranlage für Warmwasser wäre eine ökologisch bessere Investition gewesen.
MaSSnahmen zur Qualitätsverbesserung
Es gibt erheblich Unterschiede zwischen den Leistungszahlen, ermittelt auf den Testständen, und den JAZ, gemessen unter realistischen Betriebsbedingungen. Die Planer, Hersteller und Handwerker sind deshalb aufgefordert, ihre Komponenten und Systeme weiterhin zu optimieren. Dazu sind aufgrund der Erfahrungen im Rahmen des siebenjährigen Feldtests die folgenden Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung der Komponenten und Systeme erforderlich:
Bei der Planung
  • Wärmepumpensystem: Komplexität verringern – nicht zu viele Energiequellen kombinieren, weniger Umwälzpumpen und Stellventile, dadurch weniger Regelungsprobleme und Hilfsenergien. Der bekannte Schweizer Wärmepumpen-Fachmann Peter Hubacher sagte einmal: »Je einfacher die Anlage, desto höher die Jahresarbeitszahl.«
  • Wärmepumpe: Zugesicherte Leistung im Datenblatt muss auch mit der Praxis übereinstimmen; angepasste Dimensionierung (bei einer zu hohen Nennleistung taktet die Wärmepumpe zu häufig, bei einer zu geringen ist der Notheizstab zu oft aktiv); Einsatz von Wärmepumpen mit variabler Verdichterleistung.
  • Komponenten: Luft-Wärmepumpen: Wärmetauscher größer wählen und Schallproblem berücksichtigen; Grundwasser-Wärmepumpen: ausreichend großen Durchmesser der Förder- und Schluckbrunnen berücksichtigen, möglichst geringere Leistung der Förderpumpe; Erdreich-Wärmepumpen: Sondenlänge großzügig bemessen, kein Einsatz sogenannter Korb- oder Grabenkollektoren (da nutzbares Volumen des Erdreichs sonst zu gering).
  • Speicher: Heizungspufferspeicher möglichst vermeiden (bei Fußbodenheizung nicht notwendig), Kombispeicher (Heizung und Brauchwasser) sind kritisch zu bewerten.
  • Wärmesenke: Kein Einsatz von Wärmepumpen im unsanierten Altbau, Vorlauftemperatur nicht mehr als 35 °C.
Bei der Ausführung
  • Vorgeschriebenen hydraulischen Abgleich der Heizstränge auch durchführen.
  • Undicht schließende Ventile aufspüren.
  • Wärmedämmung an Rohren und Armaturen vorsehen und lückenlos montieren.
Im Betrieb
  • Heizkurve niedriger einstellen; Nachtabsenkung nicht zu lang und nicht zu tief.
  • Notheizstab mit Hand ausschalten, um kontrollierten Betrieb zu ermöglichen; Heizbetrieb im Sommer vermeiden.
  • Einweisung des Nutzers durch den Handwerker erforderlich; auch bei Wärmepumpen ist eine Wartung notwendig.
Die Durchführung dieser Maßnahmen würde den Wärmepumpen einen deutlichen Umweltvorteil gegenüber Öl- oder Gaskesseln verschaffen und letztlich auch den Geldbeutel der Nutzer schonen. Unabhängig von diesen Verbesserungsmaßnahmen haben die Ergebnisse der siebenjährigen Praxisuntersuchung gezeigt, dass keine der 25 untersuchten Luft-Wärmepumpen die Schwelle zur »nennenswerten Energieeffizienz« mit einer Jahresarbeitszahl von mehr als 3,5 überschreitet. Auch die drei vermessenen Erdgas-Wärmepumpen haben die Erwartungen nicht erfüllt. Die Agenda-Gruppe empfiehlt deshalb, bei einem gewünschten Einsatz von Wärmepumpen nur erdgekoppelte Elektro-Wärmepumpen einzusetzen. •
Weitere Informationen:
[1] Systemvielfalt Wärmepumpen Testphase 1: s. www.agenda-energie-lahr.de/WP_FeldtestPhase1.html, Schlussbericht S. 32-33 [2] Systemvielfalt Wärmepumpen Testphase 2: s. www.agenda-energie-lahr.de/WP_FeldtestPhase1.html, unter »Tabellarische Übersicht Phase 2«
[3] Ergebnis Abluft-Wärmepumpen Niedrigenergiehaus: s. www.agenda-energie-lahr.de/Phase2-Berichte.html unter »WP-Nr. 2101«
[4] Ergebnis Abluft-Wärmepumpe Passivhaus: s. [1], Schlussbericht Phase 1, S. 14-16
[5] s. [3] unter WP-Nr. 2301, 2302, 2402 und 2501
[6] Details zu den Warmwasser-Wärmepumpen, insbesondere zum Verbrauch: s. [1], Schlussbericht Phase 1, S. 16-18 und s. [3] unter WP-Nr. 2107, 2108 und 2202

Energie (S. 70)
Falk Auer
Seit mehr als 30 Jahren als Wissenschaftler zu rationeller Energieverwendung, erneuerbaren Energien und Messtechnik tätig. Projektleitung im Battelle-Institut, Frankfurt a. M., dann Inhaber des Ingenieurbüros Neue Energiesysteme, Langenselbold und Lahr. Seit 2000 Lokale Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr.
Herbert Schote
Betriebswirt (VWA), Elektroniktechniker und Techniker im Industrial Engineering. War in leitender Funktion in der mechatronischen Industrie tätig. Seit 2005 Mitarbeit in der Lokalen Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr.