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Magazin des LFE

Das Magazin ist die Informationsplattform des LFE für Sachverständige und Interessierte. Auch Gäste nutzen dieses Wissensblog gern. Die Fachartikel regen zur Diskussion an, können kommentiert und mit Ihren Erfahrungen ergänzt werden. Natürlich kann diese Expertise auch mit Dritten geteilt werden.

Auch für Neubauten sind Wärmepumpen über einen Investitionsbonus förderfähig, wenn sie bestimmte Jahresarbeitszahlen erreichen. Hierfür wurden in einer Handreichung des BAFA „Innovationsförderung - Wärmepumpen mit verbesserter Systemeffizienz - Förderfähige Anlagenkonzepte“ vom 24.11.2017 verschiedene Systemkonstellationen und deren Mindestvoraussetzungen mit den entsprechenden Mindestjahresarbeitszahlen definiert. Die Anlagenkonzepte sollen im Folgenden beschrieben werden, ebenso wie der Weg, die geforderten Jahresarbeitszahlen zumindest rechnerisch zu erreichen.

Dabei wird zur Ermittlung der Jahresarbeitszahl die gesamte an die Wärmeverteilung abgegebene Wärmemenge (Nutzwärme) inkl. Speicherverlusten zu der erforderlichen Strommenge ins Verhältnis gesetzt (ohne Heizungsumwälzpumpe und Zirkulationspumpe). Basis der Ermittlung der rechnerisch erreichbaren Jahresarbeitszahlen ist also die energetische Bilanzierung im Rahmen des EnEV-Nachweises.

Weiterhin wird vom BAFA zur Erfassung aller von der Wärmepumpe aufgenommenen Strommengen ein Stromzähler gefordert. Für gasbetriebene Wärmepumpen ist ein Gaszähler zur Erfassung aller von der Wärmepumpe aufgenommenen Brennstoffmengen vorzusehen. Außerdem ist mindestens ein Wärmemengenzähler aller durch die Wärmepumpe abgegebenen Wärmemengen Fördervoraussetzung. Damit können über ein regelmäßiges Anlagen-Monitoring der Zählerstände Fehler rechtzeitig erkannt werden.

Folgende Mindestjahresarbeitszahlen sind in Abhängigkeit vom Anlagenkonzept mindestens zu erreichen:

Mindestjahresarbeitszahlen

Der Nachweis der Jahresarbeitszahl erfolgt über eine dem Förderantrag beizufügende Simulationsrechnung. Demzufolge ist zwingend eine gebäudetechnische Fachplanung der Wärmepumpe im Allgemeinen sowie der Heizungsanlage inkl. Heizlastberechnung, Heizflächenauslegung und hydraulischen Abgleich erforderlich. Dies bedeutet automatisch, dass ein entsprechend qualifizierter Fachplaner für die Nachweisführung zu beauftragen ist.

Um die Jahresarbeitszahlen bewerten zu können, lohnt ein Blick auf die im einzelnen erreichbaren Arbeitszahlen in Abhängigkeit von Wärmequellen- und Wärmeabnahmetemperatur.

Arbeitszahlen in Abhängigkeit von Wärmequellen- und Wärmeabnahmetemperatur

Um eine möglichst hohe Jahresarbeitszahl zu erreichen, sollte also gerade bei der Warmwasserbereitung möglichst eine Arbeitszahle von 3 angestrebt werden. Zudem wirkt sich auch die Erhöhung der Wärmequellentemperatur positiv auf die Jahresarbeitszahl aus. Die Heizungsvorlauftemperatur sollte 35 °C nicht überschreiten. Vor allem ein möglichst sparsamer Wasserverbrauch wirkt sich positiv auf die in der Nutzung messbaren Jahresarbeitszahlen aus.

Um dem Energieberater für seine Beratungstätigkeit generell eine Abschätzung der Anforderungen zu ermöglichen, werden die Jahresarbeitszahlen und wie diese erreichbar sind im Folgenden rechnerisch anhand einer Beispielrechnung erläutert.

Die Beispielrechnung geht von einem Warmwasserbedarf von 12,5 kWh / (m² a) und einem Heizwärmebedarf von 21,4 kWh/m²K (KfW-Effizienzhausstandards 55) aus.

Die Überprüfung der Jahresarbeitszahl erfolgt zunächst für das Anlagenkonzepte mit Sole-Wasser-Wärmepumpe über die Monatsbilanzen:

Jahresarbeitszahl

Es zeigt sich, dass selbst bei den angesetzten, relativ guten monatlichen Arbeitszahlen von 4,0 bis 4,4 fürs Heizen und einer Arbeitszahl für die Warmwasserbereitung von durchgängig 3 noch nicht einmal die Mindestjahresarbeitszahl für Sole-Wärmepumpen von 3,8 erreicht wird (JAZ ohne ST). Damit ist auch der Innovationsbonus für einfache - nicht solare - Wärmepumpenkonzepte gerade bei den KfW-Effizienzhausstandards 40 und 55 aufgrund des hohen Einflusses der Warmwasserbereitung und des geringen Heizwärmebedarfs ohne solare Unterstützung nicht nachweisbar.

Erst wenn eine Solaranlage für die Warmwasserbereitung ergänzt wird, sind auch Jahresarbeitszahlen von über 4 erreichbar (JAZ mit ST WWB). Im betrachteten Falle deckt die Solaranlage 50 % des Warmwasserbedarfs ab. Wenn zudem auch noch die Wärmequelle Erde oder ein Eisspeicher über solare Überschüsse „aufgeladen“ wird, würde sich die Wärmequelltemperatur erhöhen und die gemessene Jahresarbeitszahl könnte sogar noch höher ausfallen.

Nachfolgende Tabelle untersucht die Jahresarbeitszahlen in Abhängigkeit vom energetischen Standard des Gebäudes in Neubau oder Sanierung. Für den Warmwasserbedarf wurden 15 kWh/m²a angesetzt.

Jahresarbeitszahlen in Abhängigkeit vom energetischen Standard des Gebäudes

Gerade bei Niedrigstenergiebauten ist ohne solare Unterstützung aufgrund der sich überproportional auswirkenden Warmwasserbereitung noch nicht einmal die Mindest-JAZ von 3,8 erzielbar. Erst mit einer Solaranlage für die Warmwasserbereitung werden Jahresarbeitszahlen von über 4 erreichbar. Die hohen Jahresarbeitszahlen von teilweise sogar >5 für solarunterstützte Wärmepumpenkonzepte mit Sole-Wasser-Wärmepumpen konnten bei durchgeführten Feldtests des Projektes Agenda-Energie-Lahr auch in der Praxis bestätigt werden.

Schlecht schnitten hingegen die verschiedenen Luftwärmepumpen ab, so dass in der Schlussempfehlung der Testberichte sogar empfohlen wird, Luft-Wasser-Wärmepumpen nicht zu fördern, da die erreichten Jahresarbeitszahlen teilweise unter 3 lagen. Deshalb wurde auch die Variante Luft-Wasser-Wärmepumpe rechnerisch geprüft, mit folgenden Ergebnissen:

Jahresarbeitszahlen bei Luft-Wasser-Wärmepumpen

Wenn für Luft-Wasser-Wärmepumpen unter Berücksichtigung der mittleren monatlichen Außentemperaturen eine Vorlauftemperatur der Warmwasserbereitung von 50 °C nicht überschritten wird, ist zumindest theoretisch eine Jahresarbeitszahl für den Bestand von ≥ 3,5 rechnerisch erreichbar. Mittels einer Solaranlage zur Brauchwassererwärmung kann die Jahresarbeitszahl von 3,9 sogar noch deutlich überschritten werden.

Woran liegt es, dass in der Praxis deutlich schlechtere Jahresarbeitszahlen erzielt werden? Dies liegt vor allem an den normalerweise erforderlichen hohen Warmwassertemperaturen (bei Zirkulationssystemen mind. 60 °C Vorlauftemperatur) und an ggf. zu hoch eingestellten Vorlauftemperaturen für die Heizung, beides wirkt sich gerade bei Luft-Wasser-Wärmepumpen sehr ungünstig auf die Jahresarbeitszahl aus. Umso wichtiger ist gerade bei Einsatz von Luft-Wasser-Wärmepumpen eine sorgfältige Anlagenplanung, damit möglichst optimale Betriebsbedingungen sichergestellt sind. Positiv wirkte sich bei einem von Agenda Energie Lahr betrachteten Anlagesystem ein vorgeschalteter Luft-Erdwärmetauscher aus, der die Jahresarbeitszahl von 2,8 auf 3,3 heben konnte. Über einen Solar-Luftkollektor könnte zudem gerade an sonnigen Frosttagen die Wärmequelle Luft vorerwärmt werden.

Auf die Warmwasserbereitung kommt es entscheidend an

Damit für die energetisch aufwändige Warmwasserbereitung möglichst günstige Arbeitszahlen erzielt werden, sind möglichst geringe Vorlauftemperataturen bei der Warmwasserbereitung erforderlich. Geringe Vorlauftemperaturen von 50 °C sind mit Frischwasserstationen möglich, je größer der Wärmeübertrager der Frischwasserstation ist, desto geringer kann die Vorlauftemperatur ausfallen. Bei 0°C Wärmequellentemperatur und 50 °C Vorlauftemperatur wurde bei der betrachteten Wärmepumpe ein COP von 3 auf dem Prüfstand gemessen. Ein möglichst sparsamer Wasserverbrauch wirkt sich positiv auf das Verhältnis Warmwasserwärme zu Heizwärme aus, Rainshowerduschen passen demnach ausdrücklich nicht in eine Wärmepumpenkonzept.

Für den Nachweis von Jahresarbeitszahlen über 4 ist zwingend eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung vorzusehen, wie die Rechenbeispiele bewiesen.

Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpensystemen

Gerade hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit ergibt sich damit eine drastische Unterlegenheit von Luft-Wasser-Wärmepumpen, wenn man betrachtet, dass die Kosten von Erdgas ca. ein Viertel des Strompreises betragen. Demzufolge müsste eine Wärmepumpe mindestens eine Jahresarbeitszahl von 4 erreichen, damit die Energiekosten zumindest gleich sind. Oder es müsste eine Photovoltaikanlage errichtet werden, die in Kombination mit einem Batteriespeicher den Antriebsstrom für die Wärmepumpe kostengünstig erzeugt.
Dennoch sind gerade Sole-Wasser-Wärmepumpenkonzepte im Vergleich mit Luft-Wasser-Wärmepumpen und gar mit der „Standardvariante Gasbrennwert und solare Warmwasserbereitung“ die teuersten in der Anschaffung, insbesondere dann, wenn Erdwärmesonden vorgesehen sind.

Empfehlung

Soll eine Wärmepumpe eingesetzt werden, ist ein Flächenheizsystem mit Vorlauftemperaturen von 35°C unbedingte Voraussetzung, ebenso wie eine Warmwasserbereitung über Frischwasserstationen. Eine sorgfältige gebäudetechnische Planung ist unbedingt empfehlenswert, ebenso wie ein engmaschiges Anlagenmonitoring, das Fehler aufzeigt und somit Fehlerbehebungen zeitnah ermöglicht, damit die Anlage so wirtschaftlich wie möglich betrieben werden kann. Es ist daher gerade in Hinblick auf einen fehlerfreien und wirtschaftlichen Anlagenbetrieb sinnvoll, auch für die BAFA-Förderung die Einbindung eines Fachplaners / Energieeffizienzexperten verpflichtend zu fordern, ebenso wie ein entsprechendes Betriebsmonitoring der Anlage.

 

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