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Abb.1: Nutzungsgrade für Wärmepumpen - adaptiert von BFE (Bilder: WPZ Buchs)

Abb.2: Effizienz von Luft/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen in Abhängigkeit der eingestellten Heizkurve.

Tabelle 1: Jahresarbeitszahl (JAZ) der gemessenen Wärmepumpen je nach Einsatzbereich.

Abb. 3: Vergleich von JAZ, Wärmenutzungsgrad (WNG) und Systemnutzungsgrad (SNG) gemittelt über alle Anlagen. Unterschieden wird zwischen Heizbetrieb («Heizen»), Trinkwarmwasserbetrieb («TWW») und Gesamteffizienz «Total».

Wie gut sind aktuelle Wärmepumpen im Feld?

Seit 2015 führt das Wärmepumpen-Testzentrum Buchs (WPZ) im Auftrag von Energie-Schweiz Feldmessungen an Wärmepumpen durch. Jährlich werden dabei 5 neuinstallierte Anlagen ins Messprogramm aufgenommen und im Feld mit genauen, zeitlich hochauflösenden Messungen begleitet. Auf diese Art können Aussagen über Installation und Verhalten in der Praxis abgeleitet werden.

Jedes Jahr werden rund 20 000 Wärmepumpen in der Schweiz installiert, 80% davon sind kleiner 20 kW (Quelle: fws). Seriell hergestellte Wärmepumpen müssen für den Verkauf in der Schweiz eine Energieetikette aufweisen. Das Gütesiegel Wärmepumpe gewährleistet eine über dem Gesetz liegende Energieeffizienz sowie Service- und Ersatzteilanforderungen.

Mit der Feldmessung hat EnergieSchweiz das Wärmepumpen-Testzentrum Buchs (WPZ) beauftragt, die Effizienz der Gesamtanlage im «Feld», also unter realen Bedingungen, zu ermitteln. Im Vergleich zur früheren FAWA-Studie wird heute auf die elektronische Erfassung vieler Signale mit einer Abtastzeit von wenigen Sekunden gesetzt. Alle Daten werden gespeichert und stehen für diverse Auswertungen zur Verfügung (Details zu Messungen, Auswahl und Vorgehensweise werden in einem der nächsten Artikel beschrieben).

Ein Punkt gleich vorneweg: In diesem Artikel wird aufgezeigt, dass neuinstallierte Wärme-pumpen im Feld ein Verbesserungspotential aufzeigen, die erzielte Effizienz aber mehrheitlich auf hohem Niveau ist. Zudem wird hier betontg, dass es bei der Diskussion um Wirkungsgrade wichtig ist, die Systemgrenzen genau zu kennen.

Systemgrenzen: JAZ, WNG und SNG

In den folgenden Auswertungen werden Kennzahlen für zahlreiche unterschiedliche System-grenzen ermittelt. Dies ermöglicht einen fairen Vergleich der Wärmepumpen untereinander, aber auch mit anderen Heizgeräten.

So wird z.B. die Jahresarbeitszahl (JAZ) berechnet, welche die gesamten elektrischen Aufwände für die Wärmepumpe und die Wärmequelle enthält, ohne Senken-Pumpen und Elektroheizstäbe zu berücksichtigen. Auf diese Art und Weise kann die Effizienz der eigentlichen Wärmepumpe gut bewertet und mit anderen Heizungssystemen verglichen werden (bei fossilen Heizungen werden die Pumpen ja auch nicht in die Effizienz eingerechnet).

Im Wärmenutzungsgrad (WNG) sind zusätzlich auch Senken-Pumpen und Elektroheizstäbe (z.B. für Legionellenschaltungen), aber auch potentiell thermische Sonnenkollektoren erfasst. Der WNG eignet sich somit zur Bewertung des gesamten Wärmeerzeugungssystems, da alle elektrischen Aufwände zur Erzeugung und Bereitstellung der Wärme berücksichtigt und in Relation zur gesamten Wärmeerzeugung gestellt werden.

Eine noch umfassendere Grösse ist der Systemnutzungsgrad (SNG), der auch allfällige Speicher und deren Verluste miteinbezieht. Mit dem SNG können Gesamtsysteme im praktischen Einsatz oder in Simulationen mit definierten Randbedingungen bewertet und verglichen werden. Diese Kennzahl hängt aber stark vom Nutzerverhalten ab: Je weniger Nutzwärme benötigt wird, desto stärker wirken sich die anfallenden thermischen Verluste (die zum grössten Teil unabhängig vom Verbrauch sind) aus. Dies ist auch der Grund, weshalb man unterschiedliche Kennziffern benötigt, um ein umfassendes Bild eines Heizsystems zu erhalten (einzelnen Systemgrenzen in Abb. 1 grafisch dargestellt).

Jahresarbeitszahl bei unterschiedlichen Auslegetemperaturen

Abbildung 2 zeigt die gemessenen Jahresarbeitszahlen für Sole/Wasser-(SW)- und Luft/Wasser-(LW)-Wärmepumpen für die Heizperioden 2017/18 und 2018/19. Die Auswertungen sind jeweils für die Betriebsarten «Heizen» und «Heizen plus Trinkwarmwasseraufladung» dargestellt. Die Daten sind als Funktion der in der Wärmepumpe eingestellten Heizkurve ersichtlich.

Wie man sehen kann, erreichen Sole/Wasser-Wärmepumpen bei Neubauten (Vorlauftemperatur von ca. 30 °C im Auslegpunkt) im reinen Heizbetreib eine JAZ von über 6. Wird auch Trinkwarmwasser produziert, dann sinkt dieser Wert auf Grund der höheren TWW-Vorlauftemperaturen auf ca. 5,2 ab. Luft/Wasser-Wärmepumpen zeigen im Neubau eine Effizienz von 4,0 im Heizbetrieb, respektive 3,7 für Heizung und Trinkwarmwasser. Mithilfe dieser JAZ-Werte ist ein Vergleich mit anderen (z.B. fossilen) Heizungssystemen möglich.

Eine detaillierte Aufstellung der Effizienzwerte nach Anwendungsbereich bei unterschiedlichen Vorlauftemperaturen ist in Tabelle 1 ersichtlich. Wie zu erwarten nimmt die JAZ bei Anlagen mit hohen Vorlauftemperaturen ab. Mit einer JAZ von über 4,0 sind aber vor allem Sole/Wasser-Wärmepumpen auch im Sanierungsbereich sehr gut geeignet. Im Vergleich zu neuen, leistungsvariablen Luft/Wasser-Wärmepumpen zeigen Sole/Wasser-Wärmepumpen immer noch einen signifikanten Effizienzvorteil von gut 30%. Bei allen in diesem Artikel präsentierten Resultaten handelt es sich um Standardgeräte ohne durchgeführte Optimierungsmassnahmen basierend auf diesen Feldmessungen.

Vergleich der Systemgrenzen

Beim Vergleich der Systeme in der Praxis müssen unbedingt identische Systemgrenzen betrachtet werden. Zwischen der Effizienz der Wärmeerzeugung durch eine Wärmepumpe und der tatsächlich genutzten Wärme besteht insbesondere beim Trinkwarmwasser teilweise ein signifikanter Unterschied. Dieser ist einerseits auf den Einsatz der Elektroheizstäbe (z.B. für Legionellenschaltungen), aber vor allem auch auf Speicherverluste zurückzuführen.

Abbildung 3 zeigt einen Vergleich von Jahresarbeitszahl (JAZ), Wärmenutzungsgrad (WNG) und Systemnutzungsgrad (SNG) für Sole/Wasser und Luft/Wasser Wärmepumpen. Es handelt sich dabei um die gemittelten Werte der gemessenen Wärmepumpen. Wie zu erwarten liegt die Effizienz der Trinkwarmwasserbereitung aufgrund der höheren Aufladetemperaturen tiefer als die Gesamteffizienz für Heizen und Trinkwarmwasser. Bei Sole/Wasser-Wärmepumpen fällt diese Differenz wesentlich grösser aus, da diese im Heizbetrieb einen deutlich kleineren Temperaturhub als für die Trinkwarmwasserbereitung aufweisen.

Beim Vergleich der unterschiedlichen Systemgrenzen fällt auf, dass der WNG um 0,2 bzw. 0,3 Punkte tiefer ist als die JAZ. Der Unterschied ist vor allem auf die Elektroheizstäbe zur Legionellenschaltung und die Umwälzpumpe im Heizsystem zurückzuführen. Besonders zu erwähnen ist, dass bei keiner Wärmepumpe im Betrachtungszeitraum der Elektroheizstab zur Heizungsunterstützung verwendet werden musste. Dies galt auch für die Kälteperioden Ende Februar, Anfang März 2018. Bei mittleren Tagestemperaturen von unter -7 °C (z.T. knapp unter dem Auslegepunkt) liefen einige Wärmepumpen 24 h am Tag. Durch die hochauflösende Datenbank ist eine detaillierte Auswertung auch solcher Ergebnisse möglich.

Der Systemnutzungsgrad kann auf Grund des Messkonzeptes nur für die Trinkwarmwassererzeugung berechnet werden. Er liegt signifikant tiefer als der WNG. Dies ist vor allem durch die Speicherverluste bedingt. Gerade in Gebäuden mit sehr geringem Trinkwarmwasserbezug sinkt die Systemeffizienz stark ab, da diese Verluste dann einen relativ hohen Anteil ausmachen. Bei Anlagen mit Trinkwarmwasserzirkulation wurde mehrfach sogar ein SNG <1 gemessen. Der SNG ist vor allem deshalb wichtig, da er z.B. bei Wärmepumpen-Boilern die einzige messbare Grösse zur Effizienzbestimmung ist und wie hier dargestellt nicht einfach mit der Effizienz eines Wärmeerzeugers (COP) verglichen werden kann. Eine Trinkwarmwasserzirkulation ist somit im Einfamilienhaus aus energetischer Sicht absolut nicht empfehlenswert. Einer detaillierteren Analyse zum Thema Trinkwarmwasserbereitung widmet sich eine der nächsten Ausgaben dieser Serie.

Fazit: noch Effizienz-Potential bei TWW-Erwärmung

Die Feldmessungen zeigen, dass heute installierte Wärmepumpen bis 20 kW insgesamt gut funktionieren, aber gerade im Bereich der Trinkwarmwassererwärmung noch ein Effizienz-Potential besteht.

Alle untersuchten Wärmepumpen konnten auch bei Temperaturen knapp unter dem Auslegepunkt die Wärme ohne Elektroeinsatz sicherstellen. Mit einer Jahresarbeitszahl von 2,8 für Heizen und Warmwasser schneiden Luft/Wasser-Wärmpumpen auch bei Altbauten mit Radiatoren noch ausreichend gut ab. Erdwärmesonden-Wärmepumpen-Anlagen sind bei allen Gebäudetypen effizienter als Luft-Wärmepumpen. Je höher die Vorlauftemperatur im Heizsystem, desto grösser der Effizienzvorteil von Erdwärmesonden-Wärmepumpen.

Für den Vergleich von Heizsystemen untereinander ist es wichtig, die jeweils richtigen Systemgrenzen zu verwenden, um die korrekten Schlüsse zu ziehen. Vergleich zu Öl- und Gasheizungen sind kaum möglich, weil dort vergleichbaren Messungen nicht vorliegen.

www.wpz.ch