Wärmepumpe Effizienzvergleich

Vergleich des Wirkungsgrades der Wärmepumpe

Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe - ausgedrückt als Leistungszahl - sinkt jedoch umso mehr, je niedriger die Temperatur der Quelle ist. Beurteilung der Effizienz im realen Betrieb. Selbst bei Sturm und Schnee draußen erwärmt sich die Wärmepumpe richtig. Luftwärmepumpen bieten eine Möglichkeit, die Sonne als Energiequelle zu nutzen. Mit der geteilten Wärmepumpe wird der Ventilator im Freien installiert, die eigentliche Wärmepumpe im Inneren.

Elektrische Wärmepumpe mit Antrieb

Abb. 20 Messung einer Wärmepumpe im Zuge des Projekts "WP-Effizienz" Abb. 22 Mittlere Leistungszahlen (COP) aller Systeme. Abb. 25 Bandbreite der im Feldversuch bestimmten Leistungszahlen von Erd- und Außenluftwärmepumpen in Neu- und Altbauten. Mit drei umfassenden Monitoring-Projekten überprüfte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme die Leistungsfähigkeit von elektrobetriebenen Wärmepumpensystemen zur Raumheizung und Wassererwärmung in Alt- und Neubauten.

In diesen Feldstudien wurde nicht nur der im Realbetrieb erzielte Wirkungsgrad bestimmt, sondern auch die Einsatzbedingungen und das Anlagenverhalten überprüft. Grundlage der Überwachungsprojekte sind die Aufzeichnung von Wärme- und Strommengen sowie von Volumenströmen und Temperatur mit einer minutengenauen Darstellung und die tägliche Fernabfrage, Archivierung und Bewertung der Daten am HS.

Unmittelbar nach der Wärmepumpe wird die gewonnene Wärmeenergie ausgeglichen - separat für Raumwärme und Warmwasserbereitung. Um den Leistungskoeffizienten zu berechnen, wird die Wärmeenergie mit dem Energieverbrauch der Elektrokomponenten verglichen. Dabei werden der Kompressor und die Regelung der Wärmepumpe sowie der Betrieb im Wärmequellenkreislauf (Ventilator, Sole- oder Brunnenpumpe) und der Heizkolben betrachtet.

In Neubauten von Wohnhäusern mit einem spezifischen Wärmeverbrauch zwischen 30 und 150 kWh/(m2a) hat das Frauenhofer Institut für Wärmetechnik (ISE) im Zuge des Projekts "WP Efficiency" rund 100 WPs gemessen. Im Zuge eines vergleichbaren Projekts ("WP im Gebäudebestand") hat sich das Institut für Wärmepumpentechnik am Standort Berlin mit unrenovierten und teilrenovierten Altbauten beschäftigt. Es wurden hier rund 70 Systeme gemessen, die als Austausch für Ölheizkessel nachgerüstet wurden.

Der Wirkungsgrad, den eine Wärmepumpe im laufenden Prozess erzielen kann, wird im Wesentlichen durch das auf der Wärmequellen- und Kühlkörperseite herrschende Temperatureniveau beeinflusst. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe ist umso größer, je kleiner die Differenz zwischen Kühlkörper und Heizquelle ist. Ein Blick auf die Monatskennzahlen des Projekts "WP-Effizienz" veranschaulicht diesen Zusammenhangs. Abb. 22 zeigt die Fließtemperaturen des Kühlkörper-Kreislaufs (getrennt für Raumwärme und Warmwasserbereitung) und die Monatsbetriebsfaktoren über ein Jahr (Juli 2009 bis Mitte 2010) als Mittelwerte aller ausgewerteten Erd-/Wasser-Wärmepumpen.

Der Energieanteil für die Raumwärme und Warmwassererzeugung ist im Laufe des Jahres je nach Wärmebedarf der jeweiligen Kalendermonate unterschiedlich. Im Durchschnitt der Kernheizzeit lag der Warmwasseranteil in den betrachteten Systemen bei rund 10 Prozent, ein relativ niedriger Prozentsatz für den Neubau. So ist der gewogene Durchschnittswert der Kühlkörpertemperatur in den Winternahen Monaten nahe an der Heizungstemperatur und in den Sommern nahe der Brauchwassertemperatur.

Zusätzlich zum erhöhten Temperaturbereich in den Sommerhalbjahresmonaten hat der durch die kurze Betriebszeit der Wärmepumpe steigende Regelungsanteil an der Stromversorgung einen negativen Einfluss auf den Leistungsfaktor. Der durchschnittliche monatliche Leistungsfaktor im Monat Juni / August liegt bei etwas über 3,0 und erhöht sich mit dem Start der Heizphase auf über 4,0. In dieser Zeit nutzt die Wärmepumpe den noch rückgewonnenen Boden und die noch niedrigen durchschnittlichen Sinktemperaturen.

Die Leistungszahlen sinken in der Kernwärmezeit leicht unter 4,0. Der durchschnittliche Leistungskoeffizient betrug über ein Jahr hinweg JAZ=3,9. Die betrachteten Außenluft-/Wasser-Wärmepumpen werden auch in Objekten eingesetzt, die im Durchschnitt einen ähnlich großen Prozentsatz an Raumwärme bei tiefen Heizkreislauftemperaturen haben. Auf der Kühlkörperseite herrschen daher ähnliche Verhältnisse (Abb. 22).

Allerdings gibt es einen großen Unterschied zwischen den Monatskennzahlen und den Erd-/Wasserwärmepumpen. Bei Erdwärmepumpen ist die Heizdauer durch die erhöhten Leistungszahlen deutlich erkennbar, bei Außenluftwärmepumpen ist sie in den Wintern am unwirtschaftlichsten, da die Wärmepumpe nur niedrige Quelltemperaturen aufweist. Beispielsweise ist der geringste durchschnittliche Monatsleistungsfaktor (2,6) - in Abhängigkeit von der Aussentemperatur - im Jänner.

Während in den Hochsommermonaten die Außenlufttemperaturen deutlich erhöht sind, sind aber auch die Beckentemperaturen für die inzwischen nahezu ausschließliche Warmwasseraufbereitung erhöht. In der Übergangsphase (November 2009 und Juni 2010 mit je 3,2) sind damit die besten Leistungskennzahlen zu errechnen. Bei knapp unterschrittener Beheizungsgrenze sind die durchschnittlichen Kühlkörpertemperaturen aufgrund der niedrigen Temperatur im Heizmodus geringer als im sommerlichen Bereich, die Aussentemperaturen sind aber noch vergleichsweise hoch.

Der " Standby-Verbrauch " der Wärmepumpe in den Sommermonaten mit den niedrigen Laufzeiten hat wie bei den Erd-/Wasser-Wärmepumpen einen stärkeren (und damit negativen) Einfluss auf den Leistungskoeffizienten als in den Kalendermonaten mit höheren Laufzeiten. Der durchschnittliche jährliche Leistungsfaktor beträgt 2,9. Abb. 25 vergleicht die jeweiligen Leistungsfaktoren der beiden Teilprojekte.

Die Grafik stellt die mittleren Leistungszahlen aller Werke der vier Alt- und Neubauten sowie der über die angegebenen Bewertungszeiträume bestimmten Außenluftund Bodenwärmequellen dar. Im Rahmen des Projekts "WP-Effizienz" wurden die Erdwärmepumpenanlagen mit einem mittleren Leistungskoeffizienten von 3,9 gefahren, während die Erdwärmepumpenanlagen des Projekts "WP Existing" einen mittleren Leistungskoeffizienten von 3,3 ergaben.

Das schlägt sich in den eingebauten Wärmeverteilungssystemen nieder: Die neuen Gebäude sind nahezu vollständig mit Fußbodenheizung ausgerüstet, während in den meisten alten Häusern die Raumwärme durch Heizkörper erzeugt wird. Der Differenz zwischen den beiden Vorhaben ist auch in den gemessenen Außenluftwärmepumpen zu sehen: Wurde im Neubaubereich ein durchschnittlicher Leistungskoeffizient von 2,9 erzielt, so lag der durchschnittliche Leistungskoeffizient im Altbau bei 2,6. Die Analyse der Durchschnittswerte ergibt nur die Tendenzdifferenz zwischen den beiden Vorgängen.

Im Rahmen eines Projekts gibt es zum Teil große Abweichungen in den Leistungskoeffizienten der Einzelanlagen. Im Rahmen des Projekts "WP-Effizienz" erzielten drei Viertel der Erdwärmepumpen jährliche Leistungswerte im Bereich von +/- 10% des Projektdurchschnitts, einzelne Werte der jährlichen Leistungswerte liegen jedoch zwischen 3,0 und 5,2. Den größten Nutzen erzielte ein System, das zum einen mit unterdurchschnittlich niedrigen Sinkkurventemperaturen arbeitete und zum anderen - aufgrund eines grosszügig bemessenen Erdwärmesondensystems - auch während der Kernwärmeperiode im Quellbereich auf sehr hohen Temperaturen blieb.

Das am wenigsten effiziente Bodensystem hatte im Altbau einen Jahresleistungsfaktor von 2,2 und das effizienteste System, das sich in einem umfassend renovierten, mit Bodenheizung ausgerüsteten und nicht zur Wassererwärmung genutzten Haus befand, einen Jahresleistungsfaktor von 4,7. Das effizienteste Bodensystem hatte einen Jahresleistungsfaktor von 2,2 und das effizienteste System einen Jahresleistungsfaktor von 4,7. das effizienteste Bodensystem hatte einen Jahresleistungsfaktor von 2,2. Das Leistungsspektrum der Außenluftwärmepumpen ist bei Bestands- und Neubauprojekten mit 2,1 bis 3,3 bzw. 2,3 bis 3,4 in etwa gleich, wobei sich die Leistungsanteile der Elektro-Zuheizungen in den meisten der untersuchten Systeme glücklicherweise auf einem sehr niedrigen Niveaustand befinden.

Nachfolgend werden die Projektergebnisse des Projektes "WP-Effizienz" für die Jahre 07/2009 - 06/2010 dargestellt. Bei den Bodeninstallationen hatte die Mehrheit der 56 Installationen keine Heizstabaktivität. Nur in rund 10% der Systeme kamen mehr als 1% der Wärmeenergie für die Raumwärme und die Warmwasserbereitung aus einem einzigen Heizkörper.

Aus der detaillierten Auswertung der Heizstabaktivitäten geht hervor, dass diese zum Teil auf einen bewusst betriebenen Heizstab zur Stützung der Gebäudetrocknung, auf eine nachteilige Parametrierung der Steuerung oder auf kurzfristige Störungen der Wärmepumpe zurückgehen. Wie erwartet, hatten die Heizkörper in Außenluftwärmepumpenanlagen einen größeren Teil an der Wärmeversorgung. Dabei hatten rund 40% der 18 Turbinen einen Marktanteil von mehr als 1%.

Bis auf ein System wurden jedoch weniger als 5% der Wärmeversorgung vom Heizkörper aufgenommen. Obwohl die Tätigkeit des Heizkörpers in Erdsystemen kaum mit den Umgebungstemperaturen zusammenhängt, ist dieser Zusammenhang für die meisten Außenluftwärmepumpen deutlich ersichtlich. In nahezu allen betrachteten Systemen wurde die Wirksamkeit des Heizdrahtes in den kaltemsten Lebensmonaten bestimmt.

In einigen Systemen war die Funktion des Heizstabs auch in heissen Sommermonaten offensichtlich. Danach wird die Wärmepumpe abgeschaltet und der Heizkörper nimmt die Warmwasseraufbereitung vor. Die Energiebedürfnisse der wärmequellenseitigen Bauteile, d. h. der Pumpen oder Lüfter, zeigten für beide Heizquellen sehr ähnlich hohe Energien. Beispielsweise wurden durchschnittlich 5,9% der von der Wärmepumpe entnommenen Elektroenergie (ohne Heizstab) für den Anschluss der Erdwärmepumpen an die Wärmepumpen verbraucht.

Der Bereich der Einzelpflanzen war in einem Bereich zwischen 2% und 10% vergleichsweise gleichmässig verteilt; in einem Falle betrug der Prozentsatz 12%. Dies hat vielfältige Gründe und reicht von der verschiedenen Dimensionierung der Quellsysteme, über die Abweichung der Betriebssummen ströme von den Auslegungsvolumina bis hin zu verschiedenen Wirkungsgraden der Pumpe im entsprechenden Arbeitspunkt.

Die durchschnittliche Ventilatorquote bei Außenluftwärmepumpen betrug 6,7%. Dabei ist die Breite der einzelnen Systeme mit der der Wärmeerzeugerpumpe der Erdsysteme zu vergleichen und liegt zwischen 2% und 11%.

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