Effizienter als erwartet: Wärmepumpen auch in Altbauten zuverlässig

Langfristige Klimavorteile gegenüber Gasheizungen

Elektrische Wärmepumpen arbeiten auch in älteren Gebäuden zuverlässig und umweltfreundlich, wie Forschungsergebnisse des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE mehrfach belegt haben. Der Abschlussbericht zum jüngsten Feldtest von Wärmepumpen im Rahmen des Projekts „WP-QS im Bestand“ liegt nun vor. Er bestätigt den effizienten Betrieb von Wärmepumpen in Altbauten und bietet gleichzeitig nützliche Tipps für Planer, Fachbetriebe und Immobilieneigentümer.

Viele Eigentümer älterer Gebäude fragen sich immer noch, ob eine Wärmepumpe für sie eine kostengünstige Option sein kann. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat nun eine klare Antwort gegeben. Im Projekt „WP-QS im Bestand“ haben Wissenschaftler über einen Zeitraum von vier Jahren detaillierte Messungen an 77 Wärmepumpen in Ein- bis Dreifamilienhäusern durchgeführt.

• Das Ergebnis: Wärmepumpen erreichten Jahresarbeitszahlen zwischen 2,6 und 5,4 und sind damit auch in älteren Gebäuden effizient einsetzbar. Sie bieten eine klimafreundliche Heizlösung, ohne dass Umbauten nach Neubau-Standards erforderlich sind.

Das Forschungsprojekt hat aber auch Optimierungspotenzial aufgedeckt, das für Planer, Fachbetriebe und Eigentümer interessant ist. Anhand der detaillierten Analyse der Messdaten lässt sich nachvollziehen, welche Planungs- oder Installationsfehler besonders häufig auftreten und wo ineffizientes Betriebsverhalten erkennbar ist.

1. Effizienz: Jahresarbeitszahlen von 2,6 bis 5,4 Im Forschungsprojekt wurden 77 Wärmepumpen unter realen Bedingungen überwacht. Die Effizienz der Wärmepumpen hat sich im Vergleich zum 2019 abgeschlossenen Projekt „WPsmart im Bestand“ verbessert:

Luft-Wasser-Wärmepumpen (Luftwärmepumpen) erreichen eine durchschnittliche Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3,4. Sie erzeugen also aus einer Einheit Strom 3,4 Einheiten Wärme. Im Vorgängerprojekt lag der Durchschnitt noch bei 3,1. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe mit der niedrigsten Effizienz erreichte eine JAZ von 2,6, die mit der höchsten 4,9.
Die effizienteren Sole-Wasser-Wärmepumpen (Erdwärmepumpen) haben eine durchschnittliche JAZ von 4,3 („WPsmart im Bestand“: 4,1). Der Wirkungsgrad von Erdwärmepumpen liegt zwischen 3,6 und 5,4. Ein Zusammenhang zwischen dem Baujahr der Gebäude und der Effizienz der Wärmepumpe konnte nicht festgestellt werden.
Die Studie zeigte außerdem, dass ausreichend dimensionierte Heizkörper im Durchschnitt mit ähnlich niedrigen Temperaturen betrieben werden können wie Flächenheizsysteme. Der Energieverbrauch der elektrischen Heizelemente, die die Wärmepumpe bei besonders kalten Temperaturen unterstützen, spielt in den untersuchten Systemen eine untergeordnete Rolle, was auch mit den vergleichsweise milden Wetterbedingungen im Messzeitraum zusammenhängt. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen machten sie nur 1,3 Prozent der elektrischen Arbeit aus, während der Anteil bei Erdwärmepumpen nahe null Prozent lag.

2. Treibhausgasemissionen: 57 bis 68 Prozent niedriger als bei Gasheizungen
   Der effiziente Betrieb von Wärmepumpen bedeutet, dass sie deutlich klimafreundlicher sind als Gasheizungen. Legt man den deutschen Strommix von 2024 zugrunde, ergibt sich für den untersuchten Wärmepumpenbestand eine berechnete CO2-Einsparung von 68 Prozent im Vergleich zu Gasheizungen. Diese Bilanzierung, die auf Jahreswerten basiert, berücksichtigt jedoch weder die Schwankungen des Wärmepumpenwirkungsgrads im Jahres- oder Tagesverlauf noch die Beiträge der einzelnen Kraftwerkstypen zur Stromerzeugung.

Die Studie hat daher erstmals auch die Viertelstunden-Emissionswerte des deutschen Strommixes berücksichtigt. Dadurch lässt sich die Klimafreundlichkeit von Wärmepumpen präziser bewerten. Mit dieser dynamischen Bilanzierung sinken die Einsparungen zwar, aber nur geringfügig. Im Jahr 2024 lagen die CO2-Emissionen der untersuchten Wärmepumpen im Durchschnitt 64 Prozent unter denen von Gasheizungen – vier Prozentpunkte weniger als bei der statischen Methode.

3- Schalldämmung: Die Anforderungen der TA Lärm können durch die Wahl des Geräts, des Standorts und übliche Maßnahmen erfüllt werden. Im Rahmen des Projekts entwickelten die Forscher zudem eine Methode zur Durchführung von Langzeit-Schallfeldmessungen an Luft-Wasser-Wärmepumpen und demonstrierten diese erfolgreich an fünf zufällig ausgewählten Systemen:

In zwei Gebäuden war der Umgebungslärm so dominant, dass die Wärmepumpen akustisch kaum ins Gewicht fielen und keine der Wärmepumpen die zulässigen Grenzwerte überschritt.
An drei Standorten korrelierte der Betrieb der Wärmepumpe mit erhöhten Überschreitungen der zulässigen Immissionsgrenzwerte in der Nacht. Die Überschreitung lag jedoch stets unter dem Umgebungslärm. Die Anforderungen der TA Lärm (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm) hätten durch die Auswahl – hinsichtlich des Schallleistungspegels – besserer Geräte, die Platzierung der Wärmepumpe oder übliche Schallschutzmaßnahmen erfüllt werden können.

4- Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik:
Darüber hinaus analysierten die Forscher des Fraunhofer ISE die Kombination von Wärmepumpen mit Photovoltaikanlagen. Ein klassischer Ansatz zur Steigerung des Eigenverbrauchs des lokal erzeugten PV-Stroms besteht darin, die Zieltemperaturen bei überschüssigem PV-Strom anzuheben. Der verstärkte Betrieb der Wärmepumpe mit Solarstrom kann vorteilhaft sein: Solarstrom ist günstiger als Netzstrom, selbst bei Wärmepumpentarifen, Wärmepumpen können klimafreundlicher betrieben werden und das Verteilnetz wird zu bestimmten Zeiten entlastet.

• Die Ergebnisse der Studie von sechs Wärmepumpen-/PV-Kombinationen: Ohne Batteriespeicher erreichen Gebäude mit einer PV-Anlage eine Eigenversorgung von 25 bis 40 Prozent und einen Eigenverbrauch von 22 bis 37 Prozent. Mit Batteriespeichern verschieben sich diese Werte deutlich nach oben: Die Eigenversorgung der Gebäude liegt dann zwischen 32 und 62 Prozent und der Eigenverbrauch zwischen 40 und 83 Prozent.

5- Optimierungspotenzial für Wärmepumpen in Bestandsgebäuden
Trotz guter Effizienzwerte zeigte das Forschungsprojekt auch Optimierungspotenzial auf.

• So waren beispielsweise viele Wärmepumpen hinsichtlich des Verbrauchs überdimensioniert,
• die Schaltfrequenzen lagen bei einigen Anlagen im sehr hohen Bereich.
• Bei einigen Anlagen mit Kombispeichern wurde keine zuverlässige Trennung der Temperaturniveaus für Raumheizung und Trinkwassererwärmung realisiert, was teilweise zu unnötiger Wärmezufuhr auf dem Warmwassertemperaturniveau führte.

Basierend auf der Analyse der Messdaten und dem Feedback der Beteiligten hat das Forschungsteam des Fraunhofer ISE daher im Abschlussbericht eine Prozessmatrix erstellt. Diese dokumentiert mögliche Qualitätsmängel in den einzelnen Phasen der Planung, Installation und Inbetriebnahme. Die Experten zeigen darin auch, wie diese behoben werden können. Die Ergebnisse und Empfehlungen aus dem Projekt enthalten wertvolle Erkenntnisse für Planer, Installateure und Betreiber von Wärmepumpenanlagen.

6- Hilfreiche Tipps für Planer, Fachbetriebe und Eigentümer

• Die angebotenen Wärmepumpen sollten anhand der COP- oder SCOP-Werte nach EN 14825 verglichen werden, um nicht nur die Kosten, sondern auch die Effizienz des Geräts zu berücksichtigen.
• Es ist wichtig, die Auslegung der Heizkörper raumweise zu überprüfen, um gegebenenfalls unterdimensionierte Heizkörper auszutauschen und so die erforderliche Heizkreistemperatur zu senken.
• Der Zirkulationsbetrieb kann den Energiebedarf erhöhen; daher ist eine Beratung hinsichtlich dessen Notwendigkeit sinnvoll.
• Kombispeichersysteme sollten anhand von Qualitätskriterien ausgewählt werden.
• Fehler in der Hydraulik (z. B. falsche Anschlussreihenfolge) müssen vermieden werden; einfache Standardschemata für die Anlagen und regelmäßige Schulungen des Fachhandwerks tragen dazu bei, die Qualität langfristig zu verbessern.
• Neben der Wahl des Hydraulikkonzepts ist auch die Dimensionierung der Komponenten entscheidend für einen stabilen Anlagenbetrieb.
• Der Betrieb von Heizstab und Heizkessel sollte überwacht und optimiert werden, um einen unnötigen Betrieb dieser Zusatzheizungen zu vermeiden.
• Häufiges Takten verkürzt die Lebensdauer der Wärmepumpe. Daher ist es wichtig, die Schaltfrequenz anzuzeigen und bei hohen Schaltfrequenzen Warnungen auszugeben.
• Eigentümer sollten in die Bedienung und Fehlererkennung ihrer Anlage eingewiesen werden.
• Zur Unterstützung ist es wichtig, die Betriebsdaten zentraler Kennwerte im Kontext von Grenz- oder Erwartungsbereichen in Effizienzanzeigen darzustellen. – Die Fernüberwachung mit (teilweise) automatisierten Tests zentraler Parameter ist eine weitere Möglichkeit, einen (deutlich) ungünstigen Anlagenbetrieb frühzeitig zu erkennen.
• Darüber hinaus ist es wichtig, die Heizkurve und andere Parameter, die die Betriebstemperatur und die Schaltfrequenz beeinflussen, sorgfältig anzupassen; automatisierte Hinweise sind dabei hilfreich.

Die Grundlagen des Forschungsprojekts: 61 Gebäude mit Luft-Wasser-Wärmepumpen, 16 mit Erdwärmepumpen
Der untersuchte Anlagenpool umfasste 61 Systeme mit Außenluft als Wärmequelle. Diese Luft-Wasser-Wärmepumpen sind der in Deutschland am häufigsten verwendete Wärmepumpentyp. 16 Systeme verfügen über eine Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe) und nutzen das Erdreich als Wärmequelle. 34 der untersuchten Wärmepumpen stammen aus dem 2019 abgeschlossenen Projekt „WPsmart im Bestand“. Die Forschungspartner haben das Monitoring fortgesetzt, teilweise mit aktuelleren Wärmepumpenmodellen. 43 neue Messobjekte wurden hinzugefügt.

Für die Effizienzbewertung wurden Wärmepumpen in Gebäuden aus den Baujahren 1826 bis 2001 berücksichtigt. Die beheizte Fläche beträgt 90 bis 370 Quadratmeter, im Durchschnitt 170 Quadratmeter. Die vor 1977 (erste Wärmeschutzverordnung) errichteten Wohngebäude wurden etwas umfangreicher saniert als im Bundesdurchschnitt. Bei der Fassade beispielsweise wurden 51 Prozent der Gebäude nachträglich gedämmt – bundesweit waren es nur 30 Prozent (Stand 2016). Die ab 1977 errichteten Häuser sind – mit einer Ausnahme – alle unsaniert.

Quelle : Fraunhofer ISE Research Project Completed: Heat Pumps Provide Climate-Friendly Heating in Existing Buildings – Fraunhofer ISE