Feld­erfah­rungen mit Wärme­pum­pen

Im Heizungsbereich nimmt die Bedeutung von Wärme­pumpen (WP) in der Schweiz stark zu. Wie Bild 1 zeigt, wurden im Jahr 2022 bereits 41 209 WP verkauft (22,8% Wachstum von 2021 bis 2022), davon sind über 70% Luft/Wasser-WP mit steigendem Marktanteil [1, 2]. Die Verkäufe von Öl-/Gas-Kesseln und -Brennern gehen sukzessive zurück.

Seit 2015 führt das Institut für Energiesysteme (IES) und das Wärme­pumpen-Testzentrum Buchs (WPZ) umfang­reiche Feld­messungen von WP im Auftrag von EnergieSchweiz durch. Jedes Jahr werden dabei mehrere WP-Anlagen nach bestimmten Kriterien ins Mess­programm aufgenommen und im Feld mit genauen, zeitlich hoch­auf­lösenden Messungen begleitet. Mit der Feld­messung soll die Effizienz unter realen Bedingungen ermittelt werden, um fundierte Aussagen über Installation und Verhalten in der Praxis ableiten zu können.

Wesentliche Erkenntnisse aus Feld­erfah­rungen

Dieser Beitrag fasst wesentliche Erkenntnisse dieser Feld­erfahrungen aus dem Zeitraum 2015 bis 2021 [3] zusammen und skizziert Verbes­serungs­potenziale [4]. Er gibt auch einen Ausblick auf mögliche zukünftige Entwick­lungen von WP bis 2050 [5].

Bild 2a zeigt die gemessenen Jahres­arbeits­zahlen (JAZ) für Sole/Wasser (S/W)- und Luft/Wasser (L/W)-WP in Abhängigkeit von der eingestellten Heizkurve für die Betriebsart «Heizen & Trink­warm­was­ser­auf­ladung (TWW)». S/W-WP sind wesentlich effizienter als L/W-WP, da sie über das Jahr gesehen von einer stabileren Quellentemperatur aus der Erdwärme profitieren [4]. Bei L/W-WP wird die Effizienz von der schwankenden Aussen­tem­pe­ratur beeinflusst. Zudem wird für die Abtauung zusätzliche Energie benötigt. Die Vor­lauf­tem­pera­tur ist das wichtigste Kriterium für die Effizienz und stellt die Temperatur des Wassers aus der WP im Auslegungspunkt dar (Neubau: 30 °C bis 35 °C, Sanierung: 40 °C bis 45 °C, Altbau: 50 °C bis 55 °C).

Empfehlungen

Eine klare Empfehlung ist, S/W-WP in der Sanierung einzusetzen. Im Neubau sind auch L/W-WP möglich, da der Gesamtenergieverbrauch geringer ist (ca. Faktor 5 bis 10) und die Vor­lauf­tem­pera­turen niedriger sind. Mit einer Vor­lauf­tem­pera­tur von ca. 30 °C bis 35 °C im Auslegepunkt erreichen L/W-WP derzeit gemessene JAZ von 3,5, S/W-WP eine JAZ von rund 4,9 (Betriebsmodus Heizen & TWW). Eine JAZ von 3 bedeutet, dass über das ganze Jahr hinweg mit jeder kWh Strom 3 kWh Wärme produziert werden.

Die Tabelle in Bild 2b zeigt auch die zukünftige Entwicklung der JAZ bis 2050, wenn die wirt­schaft­lichen und politi­schen Rahmen­bedin­gungen so gelegt werden, dass eine Weiter­entwick­lung der WP-Technologie durch die Hersteller erfolgt. In einem durch­schnitt­lichen Szenario mit 60% Gütegrad (thermo­dynamisches Limit) können bis 2050 JAZ von 6,3 bzw. 7,9 erreicht werden (Heizen & TWW), was einer markanten Steigerung der Effizienz gegenüber heute entspricht [5].

Der Vergleich von drehzahl­variablen WP mit kon­ven­tionellen On/Off-WP offenbart einen deutlichen Unter­schied in der Effizienz und den Regelungs­strategien. Bild 3 zeigt einen detaillierten Vergleich der JAZ von L/W-WP mit fixer und variabler Drehzahl in Abhängigkeit vom Tempe­raturhub (Vor­lauf­tem­pera­tur minus Aussen­tem­pe­ratur) [4]. Jeder Punkt stellt einen Tages­mittel­wert dar. Zur Orien­tierung wurde zusätzlich der Gütegrad von 30% und 50% aufgetragen. Bei einem Temperaturhub von 25 K sind die unter­suchten L/W-WP mit Inverter (JAZ 4,67) durchschnittlich 22% effizienter als solche mit fester Drehzahl (JAZ 3,85). Bei einem Tempe­ratur­hub von rund 40 K arbeiten beide Verdichtertypen im Mittel gleich effizient. Dies ist zu erwarten, da die Tempe­ratur­unter­schiede in den Wärme­tauschern im Teillastbetrieb mit einem drehzahl­variablen Verdichter geringer sind.

Hoher Standby-Verbrauch

Die Feld­mes­sungen zeigen auch, dass der Standby-Strom­verbrauch von manchen Inverter-WP-Anlagen kritisch zu betrachten ist, da mehrere WP-Systeme unnötig hohe Verluste aufweisen, wenn der Kompressor nicht in Betrieb ist. WP mit fester Drehzahl starten dafür im Durchschnitt häufiger als Systeme mit variabler Drehzahl. Die durch­schnitt­liche Betriebszeit der drehzahl­geregelten Verdichter ist mehr als doppelt so hoch als bei Systemen mit fixer Drehzahl. Dies deutet darauf hin, dass viele drehzahl­geregelte Verdichter trotz tendenzieller Über­dimen­sionierung und oft nicht optimaler Para­metrierung in einem besseren Betriebspunkt laufen als Systeme ohne Leistungs­regelung [4].

In Hinblick auf die durch­schnittliche Effizienz ist der Aussen­tem­pe­raturbereich von 0 °C bis 10 °C im Mittelland am wichtigsten, da hier rund 80% des Heiz­energie­bedarfs anfallen. In Bild 4 ist die Verteilung der Heizenergie einer L/W-WP in Funktion der Aussen­tem­pe­ratur dargestellt. Tiefe Temperaturen sind selten, aber für die Strom­netz­belastung durchaus relevant. Der Heiz­energie­anteil für Tage mit sehr niedrigen Tempe­raturen unter 0 °C beträgt nur rund 15%. Den über­wiegenden Anteil der Heizenergie verursachen somit nicht die (wenigen) sehr kalten Tage (wie man intuitiv vermuten könnte), sondern die relativ häufigen milderen Wintertage im Bereich von 0 °C bis 10 °C. An diesen Tagen laufen die gemessenen L/W-WP auch in Verbindung mit Radiatoren bereits mit einer hohen JAZ (blaue Kurve), da die erforder­lichen Vor­lauf­tem­pera­turen (rot) typischer­weise nur noch bei rund 40 °C liegen.

Fazit

Zusammen­fassend lässt sich sagen, dass WP im Feld relativ gut laufen und bereits eine gute Effizienz erreichten. Einzelne Optimie­rungs­poten­ziale gibt es vor allem in der korrekt eingestellten Regelung. Die richtige Dimen­sionie­rung, Integration und Para­metrie­rung sind der Schlüssel zu einem effizienten und dauerhaften Betrieb. L/W-WP mit drehzahlgeregelten Verdichtern als Heizsystem sind besonders für neue Wohngebäude mit niedrigen Vor­lauf­tem­pera­turen (z. B. Fuss­boden­heizung) gut geeignet. In der Sanierung sind auf Grund der höheren Vor­lauf­tem­pera­turen und höheren Heizleistungen S/W-WP zu bevorzugen. Bei L/W-WP ist eine Zeitsteuerung der Trink­warm­was­ser­auf­ladung über den Tag sinnvoll, da zu dieser Zeit die Aussen­tem­pe­raturen höher liegen als in den frühen Morgen­stunden [6]. Eine weitere Empfehlung ist die Aufheizung des Warm­wasser­speichers mittels WP auf die maximal mögliche Temperatur während einer Zeit mit möglichst geringem Trink­warm­wasser­bezug (z. B. in der Nacht), und erst danach eine Nach­erwärmung mit dem Elektroheizstab für die Legio­nellen­schaltung, sofern nötig.

Weitere Tipps und Tricks zur Optimie­rung der Regler­einstel­lungen in WP finden sich in verschie­denen Jahres­berichten und Fachartikeln [7] sowie im Vortrag anlässlich der Energie­forschungs­gespräche in Disentis 2023 [8].

Referenzen

[1] GebäudeKlima Schweiz 2023, Statistik für Heizkessel, Brenner, Wärme­pumpen, Solaranlagen, Energiespeicher, Wassererwärmer, Stand 17.1.2023.

[2] FWS Fachvereinigung Wärme­pumpen Schweiz: Statistik 2022, Stand 5.6.2023.

[3] M. Prinzing, M. Berthold, S. Bertsch, M. Eschmann, «Feld­messungen von Wärme­pumpen-Anlagen Heizsaison 2020/21», EnergieSchweiz, BFE, Jahresbericht, 19. Oktober 2021.

[4] R. Kuster, M. Prinzing, M., Berthold, M., Eschmann, S. Bertsch, «Field Performance of Domestic Heat Pumps for Heating and Hot Water in Switzerland: Insights and Analysis», 19th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, 10– 14 July, 2022.

[5] M. Prinzing, M. Berthold, S. Bertsch, «Ausblick auf mögliche Entwicklungen von Wärme­pumpen-Anlagen bis 2050», im Auftrag des BFE, 30. November 2019.

[6] M. Berthold, M. Uhlmann, M. Eschmann, S. Bertsch, «Feld­messungen von Wärme­pumpen-Anlagen Heizsaison 2021/22», EnergieSchweiz, BFE, Jahresbericht, 2. November 2022.

[7] Verschiedene Artikel in der Fachzeitschrift «Planer+ Installateur».

[8] C. Arpagaus, R. Kuster, M. Uhlmann, M. Berthold, M. Eschmann, S. Bertsch, «Felderfahrungen mit Wärme­pumpen in der Schweiz: Verbesserungspotenziale und zukünftige Entwicklungen», Energieforschungsgespräche Disentis 2023, 25. bis 27. Januar 2023, Video des Vortrags.

Die hier veröffentlichten Forschungsergebnisse wurden im Auftrag des BFE und EnergieSchweiz durchgeführt und im Rahmen des SWEET-DeCarbCH-Projekts verbreitet. Co-Autoren sind Ralph Kuster, Michael Uhlmann, Matthias Berthold, Mick Eschmann und Stefan Bertsch. Die Autoren bedanken sich beim BFE und EnergieSchweiz für die finanzielle Unterstützung.