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Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpen: Effizienzkriterien und Jahresarbeitszahl

Fachartikel von Dipl.-Phys. Christina Hönig (WPsoft). Erstveröffentlichung: TGA Fachplaner, Ausgabe 02/2011.

Eine Wärmepumpe zur kombinierten Trinkwassererwärmung und Bereitstellung des Heizwärmebedarfs kann hohe Jahresarbeitszahlen nur erreichen, wenn die Trinkwassererwärmung sorgfältig und auf die Erfordernisse der Wärmepumpe abgestimmt geplant wird. Schlechte Messergebnisse in Feldtests sind deswegen häufig kein Beleg für mangelnde Energieeffizienz von Wärmepumpen-Heizungen, sondern entlarven — für die jeweilige Nutzung und generell — ungeeignete Konzepte. Systeme, mit denen hohe Jahresarbeitszahlen erreichbar sind, stehen am Markt zur Verfügung.

Das gewählte Konzept der Trinkwassererwärmung hat bei der rechnerisch nach VDI 4650 ermittelten Jahresarbeitszahl keinen Einfluss. In realen Anlagen ist es jedoch von entscheidender Bedeutung für die tatsächlich erreichbare Jahresarbeitszahl und damit für die Betriebskosten. Bei der energetischen Bewertung muss immer hinterfragt werden, in welchen — vom Gesamtsystem abhängigen — Temperaturbereichen die Wärmepumpe für die Trinkwassererwärmung wie lange arbeiten muss.

Speicherkonzepte im Vergleich

Die Anzahl wärmepumpentauglicher Trinkwarmwasserspeicher hat deutlich zugenommen. Innenliegende Wärmeübertrager mit Übertragungsflächen von 3, 5 oder 6 m² sind keine Seltenheit mehr. Das berüchtigte Takten von Wärmepumpen, die ihre Wärmeleistung an zu kleinen Wärmeübertragern nicht abgeben können, lässt sich so sicher vermeiden.

Speicher mit innenliegendem Wärmeübertrager

Energetisch ist die Kombination einer Wärmepumpe mit einem Trinkwassererwärmer mit innenliegendem, großem Wärmeübertrager eine sehr gute Wahl. Beim Zapfen wird oben warmes Wasser entnommen, kaltes strömt unten nach, die Schichtung bleibt weitgehend erhalten. Zu Beginn der Ladephase arbeitet die Wärmepumpe im Niedertemperaturbereich mit besonders guten Leistungszahlen (COP). Erst bei steigender Vorlauftemperatur sinkt der COP.

Speicher mit hoher Ladetemperatur

Bei Speichern, die häufig mit hohen Temperaturen aufgeladen werden (z. B. nach dem Durchlauferhitzerprinzip), arbeitet die Wärmepumpe beim Nachheizen ständig im oberen Temperaturbereich bei geringerem COP. Vorteilhaft sind die gute Trinkwasserhygiene und die einfache Einbindung anderer Energiequellen wie einer Solarthermieanlage.

Externer Wärmeübertrager

Externe Wärmeübertrager auf der Entnahmeseite gewährleisten gute Trinkwasserhygiene und einfache Einbindung weiterer Energiequellen. Ein Teil der Heizarbeit kann bei niedrigen Vorlauftemperaturen und günstigerem COP erfolgen. Bei sehr großen thermischen Leistungen stoßen innenliegende Wärmeübertrager an geometrische Grenzen — auch dann sind externe (Platten-)Wärmeübertrager eine Alternative.

Kombispeicher

Vorsicht ist geboten, wenn der Speicher gleichzeitig als Heizungspufferspeicher dient. Wird er konstant mit 55 °C betrieben und die Fußbodenheizung über einen Mischer angepasst, verschlechtert das hohe Temperaturniveau die Jahresarbeitszahl im Heizbetrieb erheblich — denn diese Temperatur ist für die Heizung gar nicht oder nur an wenigen Tagen erforderlich. Untersuchte Anlagen mit Kombispeicher erreichten im Neubau im Schnitt nur eine JAZ von 3,53 (ohne Heizstabstrom).

Doppelmantelspeicher und hohe Trinkwassertemperaturen

Bei gleichzeitiger Solareinspeisung oder hohen Abgabeleistungen bieten sich Doppelmantelspeicher mit Bereitschaftsteil an. Werden aus hygienischen Gründen Temperaturen über 60 °C verlangt, sind Wärmepumpen mit Hochtemperaturkältemitteln oder mit Heißgasenthitzung effizienter als ein Heizstab. Da die Heißgaswärme nur als „Abfallprodukt“ (ca. 10–15 % der Wärmemenge) entsteht, eignet sie sich besonders, wenn ganzjährig auch Wärme mit geringer Temperatur benötigt wird.

Jahresarbeitszahlen: Rechnung vs. Realität

Die Jahresarbeitszahl ist das Maß dafür, wie energetisch sinnvoll eine Wärmepumpe arbeitet. Bei Vergleichen ist zu beachten, dass unterschiedliche Bilanzgrenzen verwendet werden. Üblich in VDI 4650 und bei Simulationen mit WP-OPT sind Erzeugeraufwandszahlen; bei der Wärmequelle Luft gehören dazu auch die Abtauverluste.

Heizleistung und COP einer Sole/Wasser-Wärmepumpe

Die Leistungsabgabe ist stark temperaturabhängig. Die folgenden Werte stammen aus der Herstellerbibliothek von WP-OPT und zeigen, wie Heizleistung und COP mit Quellen- und Vorlauftemperatur variieren:

Jahresarbeitszahlen nach VDI 4650

VDI 4650 wurde 2008 um einen Formalismus zur Trinkwassererwärmung erweitert. Das stark vereinfachte Verfahren berücksichtigt allerdings nicht das Anlagenkonzept, sondern geht ausschließlich von den technischen Daten der Wärmepumpe aus. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit einer Leistungszahl von 4,2 erzeugt demnach Warmwasser — unabhängig vom Speicherkonzept — mit einer rechnerischen JAZ von 3,58. Bei der Wärmequelle Luft ergibt sich 3,49, für eine Kellerluftwärmepumpe 3,33.

Gemessene Jahresarbeitszahlen

Feldtests zeigen meist ernüchternde Werte, oft weil der Warmwasserverbrauch sehr gering war und ständig nur Wärmeverluste ausgeglichen wurden. Das Fraunhofer-Monitoring von 75 Wärmepumpen ergab im Bestand eine JAZ der Trinkwassererwärmung von 3,1 (erdgekoppelt) bzw. 2,4 (Luft). Bei sehr hohem Verbrauch wurden durchaus auch Einzelwerte über 4 dokumentiert — energetisch sinnvolle Lösungen sind also möglich, eine kompetente projektbezogene Beratung ist Voraussetzung.

Simulierte Jahresarbeitszahlen mit WP-OPT

Für realistische Prognosen ist der Temperaturverlauf der Nachheizung entscheidend. Mit WP-OPT lässt sich ein frei wählbarer Speichertyp mit eingetragenen Ladetemperaturen simulieren. Ergebnisse für ein betrachtetes Altbau-Objekt:

• Pufferspeicher mit innenliegendem Wärmeübertrager, Durchlauferhitzerprinzip, elektrische Nacherwärmung 53→60 °C: JAZ 2,11
• Trinkwarmwasserspeicher mit innenliegendem Wärmeübertrager (unten), Nachheizbedingungen nach FAWA-Studie: JAZ 3,17
• Bei vollständiger Entladung vor dem Nachladen: JAZ 3,8 — entspricht dem VDI-4650-Wert (in der Praxis kaum erreichbar)

Einfluss der Speichertemperatur auf die simulierte JAZ

Die tatsächliche Jahresarbeitszahl hängt stark von der Zieltemperatur ab. Eine hohe Speichertemperatur — durch Nutzeransprüche oder Hygienevorschriften — verringert die JAZ deutlich:

Simulationsergebnisse mit WP-OPT. Während VDI 4650 konstant 3,67 liefert, zeigt die Simulation, wie stark Speicherkonzept und Zieltemperatur die reale JAZ verschieben.

Vor- und Nachteile der Konzepte im Überblick

Fazit

Das Konzept für die Trinkwassererwärmung muss sich am konkreten Objekt und an den Nutzeranforderungen orientieren. Bei Wärmepumpen ist die Trinkwassererwärmung nicht zwangsläufig eine Schwachstelle der Energieeffizienz — mit dem richtigen Konzept und der richtigen Dimensionierung werden energetisch sinnvolle und wirtschaftliche Werte erreicht. Die eigentliche Schwachstelle ist das vereinfachte Berechnungsverfahren in VDI 4650: Es weckt nicht erfüllbare Erwartungen und macht nicht transparent, welchen Einfluss Speicherkonzept, Warmwasseranteil und Vorlauftemperatur tatsächlich haben.

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Quelle: Hönig, C.: „Effizienzkriterien — Trinkwassererwärmung mit Wärmepumpen“, TGA Fachplaner 02/2011, S. 26–31. Original als PDF herunterladen.

Weitere Fachartikel und Grundlagen

• Übersicht aller Fachartikel
• WP-OPT und die VDI 4650
• Funktionsumfang von WP-OPT

Literatur

1. VDI 4650 — Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen. Beuth Verlag, März 2010.
2. Erb, M.; Hubacher, P.; Ehrbar, M.: Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA 1996–2003. Schlussbericht, April 2004.
3. DIN V 4701-10 — Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen, Teil 10. Beuth Verlag, 2008/2009.
4. Auer, F.: Zweijähriger Feldtest Elektro-Wärmepumpen am Oberrhein. Agenda Lahr.
5. Miara, M.: Wärmepumpen-Feldtest. TGA 10-2008.
6. Russ, C.: Monitoring — Wärmepumpen im Gebäudebestand. 3. Internationales Anwenderforum, März 2009.