Praxistest zeigt: Wärmepumpen heizen effizient – auch bei tiefen Temperaturen

Bei den Prüfstellen erreichen Wärmepumpen jeweils eine hohe Effizienz. Doch wie gut funktionieren sie tatsächlich, wenn sie in den Gebäuden installiert sind. Seit 2016 führt die Fachhochschule Ostschweiz Feldmessungen durch. Nun liegen weitere Auswertungen vor. Sie belegen, dass Wärmepumpen auch in der Praxis effizient arbeiten.

12 Luft/Wasser-Wärmepumpen und 11 Sole/Wasser-Wärmepumpen wurden in den Feldmessungen untersucht. Einige Anlagen bereiten das Warmwasser für den Haushalt mit einem separaten Wärmepumpenboiler auf. Auch diese Technologie wird getestet. Die Messungen sollen zeigen, wie gut Wärmepumpen unter realen Bedingungen funktionieren – ob nun in einem Neubau oder in einem bestehenden Gebäude. Zudem werden verschiedene Messpunkte erfasst, um das Effizienzpotenzial von Wärmepumpen-Anlagen zu untersuchen. Dazu wird der Strombedarf der Wärmepumpe zeitlich differenziert analysiert, der Strombedarf der verschiedenen Umwälzpumpen separat erfasst und bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe auch die Abtauung separat betrachtet.

Das Vorurteil hält sich hartnäckig, dass insbesondere Luft/Wasser-Wärmepumpen in den kalten Wintertagen nur mit einem Heizstab funktionieren und dadurch die Stromkosten explodieren. Die Feldmessungen widerlegen dieses Vorurteil. Bei keiner Anlage war elektrisches Zuheizen nötig. Selbst in den sehr kalten Wintertagen im Februar 2018 mit einer deutlichen Kältewelle war dies nicht der Fall.

Allerdings: Die Effizienz ist bei solchen Extrembedingungen nicht sehr hoch. Sie liegt aber noch über 2 (Wärmeabgabe mehr als doppelt so hoch wie Stromaufnahme). Dabei muss jedoch die gesamte Heizsaison betrachtet werden. Analysen der umfangreichen Messdaten in der dargestellten Abbildung zeigen: Die an den wenigen Frosttagen zum Heizen nötige Wärmeenergie ist nur ein kleiner Anteil vom gesamthaft nötigen Heizenergiebedarf. Bei den meisten Anlagen im Mittelland liegt der Anteil unter 15 Prozent. Wesentlich bedeutender ist der effiziente Betrieb der Wärmepumpe bei milden Wintertagen, vor allem bei Heizungen mit Radiatoren. Hier zeigen die Untersuchungen einen klaren Effizienzvorteil von leistungsregulierten Wärmepumpen.

Bild 1: Darstellung zur Verteilung des Heizwärmeanteils sowie der benötigten Vorlauftemperatur im Jahr 2018 mit einer markanten Kälteperiode, Quelle: OST- Fachhochschule Ostschweiz

Die Feldmessungen zeigen, dass im Schweizer Mittelland, wo etwa 2/3 der Schweizer Bevölkerung wohnt, auch Luft/Wasser-Wärmepumpen in Verbindung mit Radiatoren eine hohe Effizienz erreichen, dies, weil die Heizsaison durch mehrheitlich relativ milde Aussentemperaturen geprägt ist.

Das Haus auf Bild 2 befindet sich am oberen Zürichsee, die Auslegetemperatur beträgt -8 °C. Bei dieser Temperatur stellt die Wärmepumpe 55°C heisses Heizwasser bereit. Die Anlage in diesem Gebäude wurde übrigens noch nicht im Rahmen der Feldmessungen optimiert. In der Darstellung (Bild 1) ist zu erkennen, dass keine obere Heizgrenze festgelegt ist und die Anlage bei 20°C Tagesmitteltemperatur immer noch heizt. Dies führt dazu, dass mehr Wärme bei Temperaturen über 18°C Aussentemperatur als bei unter -3°C bereitgestellt wurde.

In einem nächsten Schritt wird auch diese Anlage optimiert und die Effizienzverbesserung überprüft.

Bild 2: Luft/Wasser-Wärmepumpe am oberen Zürichsee, Baujahr 1978, neue Kunststofffenster 2008, 120m2 mit Radiatoren. Jahreseffizienz im Heizbetrieb von 3.18, Quelle: OST – Fachhochschule Ostschweiz

Die noch häufigen Bedenken, eine Wärmepumpe eigne sich nicht als Ersatz für eine bestehende fossile Heizungsanlage, können also aufgrund der Resultate der Feldmessung entkräftet werden. Wichtig ist aber eine detaillierte Auslegung sowie eine fachmännische Installation und Inbetriebnahme. Die gemessene Jahreseffizienz in der Heizperiode 2019/20 für die dargestellte Luft/Wasser-Wärmepumpe beträgt im Heizbetrieb 3.18, respektive inklusive der Trinkwarmwassererwärmung 2.97. Ein sehr guter Wert, berücksichtigt man den hohen Heizwärmebedarf von fast 200 kWh/m2 und die benötigten Vorlauftemperaturen für die Radiatorenheizung. Damit stammt mehr als zwei Drittel der Heizwärme aus der Luft.

Bei den Feldmessungen zeigt sich aber auch: Die Erdwärmesonden-Wärmepumpen haben einen grossen Effizienzvorsprung gegenüber Luft/Wasser-Wärmpumpen Bei einem anderen Gebäude, das vergleichbare Vorlauftemperaturen zum erwähnten Objekt (Bild 2) benötigt, konnte eine Effizienz von 5 ermittelt werden. Die Eigentümer dieser vermessenen Erdwärmesonden-Anlagen haben damit einen Drittel tiefere Stromkosten als bei der beschriebenen Luft/Wasser-Wärmepumpe. Damit kann der höhere Investitionsbedarf bei Erdwärmesonden-Anlagen amortisiert werden.

Tipps für das effiziente Heizen mit der Wärmepumpe

Bei einem hohen Heizwärmebedarf in einem unsanierten Gebäude empfehlen die Autoren deswegen, sofern möglich, eine Erdwärmesonde-Wärmepumpen. Weitere Informationen für eine individuelle Berechnung sind unter www.erneuerbarheizen.ch/heizkostenrechner abrufbar.

Mit den Feldmessungen über die vier Jahre werden zudem verschiedene Optimierungspotentiale an den Wärmepumpenanlagen identifiziert. Deren Wirksamkeit wird nach der Umsetzung analysiert. Meist geht es dabei um Anpassungen an den Reglereinstellungen der Wärmepumpe. Das Absenken der Heizkurve in der Übergangszeit und eine tiefere Heizgrenze bieten ein grosses Effizienzpotenzial. Einige Anlagen heizen am Morgen sogar bei frischen Sommernächten. Das ist nicht nötig, weil die Gebäudemasse solche kurzfristigen Temperaturänderungen ausgleicht.

Einen vertieften Einblick liefert der aktuelle Bericht, welcher hier abgerufen werden kann. Für das Fachpublikum werden zudem demnächst weitere Artikel publiziert.

Die Messkampagne wird fortgesetzt und derzeit auf kleinere Mehrfamilienhäuser ausgeweitet. Planen Sie für einen solchen Gebäudetyp den Ersatz der Heizungsanlage durch eine Wärmepumpe? Haben Sie Interesse an der Teilnahme an diesem Praxistest mit einem umfangreichen und anonymisierten Monitoring?
Weitere Informationen können Sie auf der Homepage des Wärmepumpentestzentrums, www.wpz.ch finden.

Manuel Prinzing, OST – Fachhochschule Ostschweiz und Rita Kobler, Fachspezialistin Erneuerbare Energie, Bundesamt für Energie