Im nächsten Teil geht es um
die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen.
Vielleicht der interessanteste und wichtigste Teil,
weil man Wärmepumpenanlagen gut
aber auch schlecht machen kann.
Wenn man die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen
berechnet oder messtechnisch ermittelt,
muss man sich über die Bilanzgrenze
Gedanken machen.
Und die sinnvollste Bilanzgrenze
zunächst einmal für eine solche Bilanzierung ist
diese grüne Bilanzgrenze für den Aufwand,
wo der Stromverbrauch der Wärmepumpe enthalten ist
und der Stromverbrauch
der Solepumpe oder des Außenluftventilators
und der elektrische Heizstab,
der für besonders kalte Tage und
zur Bewältigung von Spitzenlasten
in dem Gerät integriert ist.
Der Aufwand steht unterm Bruchstrich
bei der Bestimmung der Jahresarbeitszahl
(oder überhaupt einer Arbeitszahl).
Der Nutzen (über dem Bruchstrich) ist hier so definiert,
dass das die Wärmeabgabe der Wärmepumpe ist,
sowohl in Richtung Trinkwarmwasser,
als auch in Richtung Heizung.
Explizit nicht integriert in dieser Betrachtung
ist der Stromverbrauch dieser beiden Ladepumpen
für die Speicher,
Trinkwarmwasser- oder Heizungswasserspeicher,
Pufferspeicher und auch
nicht die Wärmeverluste der Speicher,
denn die haben letztlich nichts
mit dem Funktionieren und der Effizienz der Wärmepumpe
an sich zu tun.
In der Gesamtanlage spielt das schon eine Rolle,
da sehen wir gleich auch noch,
aber wenn man jetzt die Wärmepumpe an sich
quantifizieren will von ihrer Effizienz,
ist das ja zunächst einmal außen vor.
Das ist ganz wichtig, dass man sich
über die Bilanzgrenzen verständigt und
dass man die im Vergleich beachtet
- wenn man Zahlen unterschiedlicher Quellen hat -
dass die Bilanzgrenze auch identisch ist.
Das wäre ja ein Unterschied,
wenn man nur den Stromverbrauch des Kompressors
in der Wärmepumpe erfasst und
nicht zum Beispiel die Solepumpe oder nicht
den Außenluftventilator und nicht den Heizstab.
Das würde einen Unterschied machen.
Wenn man sich dann die Energieeffizienz (Arbeitszahl)
der Maschinen im Jahresverlauf ansieht,
(ups, eine Folie zu weit), dann sieht man
einen typischen Badewannen-Verlauf.
Ausgehend von den Übergangszeiten im Herbst (links),
wo hohe monatliche Arbeitszahlen erreicht werden,
bis hier zu niedrigen Arbeitszahlen im Dezember/Januar (mitte),
wenn es kühl draußen ist
und die Heizungswasser-Vorlauftemperaturen
entsprechend angestiegen sind und dann
wieder ins Frühjahr rein, in die Übergangszeit, (rechts)
wo die Arbeitszahlen dann wieder ansteigen.
Ja, und die Ursache ist
dieser veränderliche Temperaturhub,
weil im Winter,
wenn die Außentemperaturen niedrig sind,
dann müssen Sie ja
mit relativ hohen Heizungswasser-
Vorlauftemperaturen fahren in die Heizkörper oder
in die Flächenheizung um ausreichend viel Wärme
in die Räume reinzubringen.
Das heißt, die Senkentemperatur T ist relativ hoch
und umgekehrt ist die Quellentemperatur
(bei der Außenluft ist es
direkt sichtbar) relativ niedrig.
Das heißt, diese Differenz zwischen
T0 Wärmequellentemperatur und T Wärmesenkentemperatur
ist relativ hoch und deshalb ist der Wirkungsgrad
beziehungsweise die Arbeitszahl
in diesen Monaten relativ gering.
Und das ist bei den unterschiedlichen Typen
der Wärmepumpen ein unterschiedlich
stark ausgeprägtes Verhalten:
bei Außen(luft)maschinen sehr ausgeprägt,
weil da diese Differenz sehr stark variiert,
aber bei Solemaschinen (viel weniger),
wenn sie z.B. mit Erdreich gekoppelt sind,
denn dann ist diese Variation der Wärmequellentemperatur
ja nicht ganz so hoch,
die sinkt zwar auch im Jahresverlauf ab,
also in der Heizperiode ab,
- entsprechende Kurven
hatten wir uns ja schon angesehen -
aber das ist nicht ganz so stark.
Also wie hier steht, diese Wärmequellentemperatur,
die sinkt ab: bei Außenluft sehr stark,
aber auch ein wenig bei Erdreich.
Also das ergibt den Badewannen-Kurvenverlauf
in den monatlichen Arbeitszahlen.
Und wenn ich sage, wichtig,
dann bezieht sich das vor allem auf diese Folie und
das ist eine sehr aussagekräftige Untersuchung,
die schon seit
der ersten Messperiode 2007 läuft und
bis heute werden Messungen
vor allem vom Fraunhofer Institut in Freiburg,
vom Institut für solare Energiesysteme,
dem Fraunhofer ISE, durchgeführt.
Marek Miara ist als Mitarbeiter
dort dabei federführend.
Die haben über lange Jahre die Arbeitszahlen,
die Effizienz von Wärmepumpen im Feld gemessen.
Das sind keine Laborwerte,
sondern das sind Feldanlagen.
Sie sehen hier auch die jeweilige Anlagenzahl,
also durchaus nennenswerte Anzahlen,
die mit Messtechnik bestückt worden sind
und vermessen worden sind,
Mit unterschiedlichen Projektnamen.
Wenn Sie das googlen,
finden Sie das im Internet.
Ja, und was sieht man? Man sieht zunächst mal
immer einen Unterschied zwischen
Luft-Wasser-Wärmepumpe und Sole-Wasser-Wärmepumpe.
Und im Mittelwert sind das immer etwa eine 1,0.
Hier ist es ein bisschen weniger, aber
so ein Daumenwert: die Solemaschinen,
die mit Erdreich als Wärmequelle betrieben werden,
sind immer um etwa 1,0 (in der Jahresarbeitszahl)
im Mittel besser als Außenluftmaschinen.
Weshalb das so ist,
wissen Sie jetzt, die Wärmequellentemperatur
bei den Erdsonden ist einfach
im Mittel der Heizperiode höher als die Außenluft.
Aber man sieht auch immer eine sehr große Bandbreite.
Es gibt Außenluftmaschinen (mit guten Arbeitszahlen),
die hier bis 3,4 - sogar bis 4,2.
Das sind jetzt Neubauanlagen,
wobei die Neubauanlagen hier schon
etwas älter sind, 3,3, 3,8, 4,0.
Bei der Außenluft als beste Werte und
die Solemaschinen haben hier eine 5,2,
hier sogar eine 5,4.
Aber die schlechtesten Werte liegen auch
bei 3 oder hier bei 2,2.
Also, es gibt gut gemachte Anlagen und
schlecht gemachte Anlagen.
Und dem werden wir uns jetzt auch gleich widmen.
Weshalb ist das denn so?
Wo liegen die Unterschiede?
Auf was muss man denn achten,
damit so eine Wärmepumpenanlage wirklich
auch effizient arbeitet?
Und was sicherlich auch zu sehen ist,
ist, dass die Arbeitszahlen der Wärmepumpen
ansteigen mit der Zeit.
Ja, das hier ist 2008, 2009,
das hier erst etwa 10 Jahre später und
das hier ist nochmal 5 Jahre später,
also die Anlagen werden besser.
Und man sieht:
Ob Neubau oder Altbau,
es geht beides.
Also man kann im Altbau,
bei der Sanierung 5,2 erreichen
als auch im Neubau 5,4.
Klar, die Neubauten sind besser prädestiniert
für den Einbau einer Wärmepumpe, weil man nicht
so hohe Heizungsvorlauftemperaturen braucht,
aber auch Altbauten kann man da hinbringen,
dass man nur niedrige Heizungsvorlauftemperatur
benötigt und dann sind die Effizienzen genauso hoch.
Also eine ganz wichtige Aussage hier
mit dieser Grafik. Vielleicht noch
ein kleiner Nebenaspekt zu diesen Heizstäben,
die in den Maschinen verbaut sind,
also wo nicht der Wärmepumpeneffekt genutzt wird,
sondern wo direkt elektrisch geheizt wird,
eine Kilowattstunde Strom gleich
eine Kilowattstunde Wärme.
Dieser Heizstab wird bei den Wärmepumpen nur selten
in Betrieb genommen.
25% beziehungsweise 50% der Geräte
haben den Heizstab überhaupt in Betrieb, und d.h.
umgekehrt 75% bis 50% (betreiben die) gar nicht.
Und wenn man dann den Anteil
am Gesamtstromverbrauch ansieht, ist der sehr gering,
also die Heuzstäbe gehen wirklich nur an,
wenn es draußen sehr kalt ist,
wenn Spitzenlast benötigt wird.
Das war früher schon einmal anders.
Da gingen die (Heizstäbe) teils an,
bei jedem Anheizvorgang morgens.
Wenn Sie nachts abgeschaltet haben und morgens anheizen,
dann ist ja quasi Spitzenlast.
Auch dann sind die angegangen.
Da wäre es günstiger gewesen, die Wärmepumpe
einfach eine halbe Stunde vorher anzuschalten
und nur mit Wärmepumpeneffekt zu heizen.
Diese Zeiten sind offenbar zu Ende.
Was es jetzt seit doch einiger Zeit gibt
sind leistungsmodulierende Wärmepumpen.
Die also nicht nur ein-/ausschalten können,
sondern ihre Leistung variieren können,
d.h. der Verdichter ist drehzahlgeregelt.
Denken Sie zurück
an die Unterrichtseinheit
zur konventionellen Heizungstechnik,
wo wir über alte Heizgeräte gesprochen haben:
Öl- und Gas- Heizkessel, die nur
an- und ausschalten können.
Und die neuen Heizkessel,
die können alle die Brennerleistung modulieren.
Dann wird bei möglichst
gleichbleibenden Luftverhältnis
weniger Erdgas oder Heizöl verbrannt.
Bei der Wärmepumpe funktioniert
diese Leistungsmodulation
über eine Drehzahlregelung des Verdichters.
Das können mittlerweile viele Wärmepumpen und
dann kann man statt vielen Ein-/Aus-Zyklen eine
kontinuierliche Betriebsweise hinbekommen.
Das ist für den Wirkungsgrad und
die Arbeitszahl, die sich
über der Zeit einstellt, vorteilhaft.
Man hat eine Erhöhung der Jahresarbeitszahl.
Man hat eine Geräuschreduzierung,
denn wenn das Gerät unter Vollast läuft,
ist es lauter, als wenn es nur in Teillast läuft.
Und man hat eine Verlängerung der Lebensdauer,
weil diese Start-/Stop-Vorgänge
einfach auf die Lebensdauer der Geräte gehen,
vor allem auf die des Verdichters.
Also auch das (die Leistungsmodulation) ist eine Maßnahme
für möglichst lange stationäre
Betriebsphasen zu sorgen.
Und wenn wir dabei sind, vielleicht direkt
auch diese Diskussionsfrage an Sie:
Wieso können denn Außenluftwärmepumpen
besonders davon profitieren?
Von dieser, man sagt,
Inverter-Regelung des Verdichters,
von dieser modulierenden Betriebsweise der Wärmepumpe.
Weshalb steigt vor allem bei Außenluftwärmepumpen
die Jahresarbeitszahl durch eine Inverter-
beziehungsweise Drehzahlregelung des Verdichters an?
Ein/Aus-geregelter Außenluftwärmepumpen
ohne Inverter-Regelung,
takten in der Übergangszeit besonders stark
mit entsprechend negativen Auswirkungen
auf die Arbeitszahlen.
Wieso takten die jetzt besonders stark?
Naja, wir haben ja vorhin
über dieses Auslegungsdiagramm gesprochen,
und Sie haben da gesehen, die Leistung,
die so eine Wärmepumpe abgibt, die ist
sehr stark abhängig von diesem Temperaturhub.
Also einmal der Wirkungsgrad ist
sehr stark abhängig davon,
- ausgehend vom Carnot-Wirkungsgrad: T / ( T minus T0) -
aber auch die Heizleistung,
die die Maschine abgibt (ist davon abhängig).
Und wenn Sie eine Außenluftwärmepumpe auslegen
auf -10 Grad Außenluft und
(was hatte ich hier als Beispiel),
+ 40 Grad Heizungswassertemperatur,
dann haben Sie
50 kelvin Temperaturhub.
Und wenn Sie dann in der Übergangszeit sind,
wo die Außenluft jetzt
15 Grad warm ist,
also nicht mehr -10°C, sondern 15°C und
die Heizungswassertemperatur nur noch
25 Grad warm sein muss,
dann haben Sie nur noch (ein Delta T von) 10 Kelvin
Temperaturhub, das heißt:
zwischen diesen beiden Punkten,
Auslegungsfall und Übergangszeit,
reduziert sich die Temperaturdifferenz (Hub) auf 20%,
auf ein Fünftel.
Und das ist bei einer Erdsondenmaschine mit Erdreich
als Wärmequelle anders.
Da haben Sie im Auslegungsfall die
gleiche Heizungswassertemperatur, aber nur 0 Grad Quelltemperatur,
weil die Soletemperatur nicht unter 0 Grad absinkt.
Vielleicht haben Sie da sogar 5 Grad stehen,
wenn Sie die
Erdsonde etwas großzügiger ausgelegt haben.
Also im Winter ein Delta T von 40 Kelvin.
Und das sinkt in der Übergangszeit
bei gleicher Heizungswassertemperatur,
aber mit steigender Soletemperatur
auf 10 Grad in der Übergangszeit.
Das heißt, Sie reduzieren (von Winter zu Übergangszeit)
von 40 Kelvin auf 15 Kelvin,
also nur auf rund 40%
der ursprünglichen Temperaturdifferenz.
Deshalb taktet eine Außenluftwärmepumpe
viel stärker als eine Solewärmepumpe,
wenn sie nicht Invertergeregelt ist.
Deshalb profitieren Außenluftmaschinen
sehr viel stärker von dieser Inverter-Regelung.
Ja, ist das nachvollziehbar?
Es ist nicht ganz so trivial.
Letztlich hängt es an dieser starken Abhängigkeit
sowohl der Arbeitszahlen und Leistungsziffern
als auch der Nennleistungen der Heizleistungen
der Wärmepumpen von diesem Temperaturhub.
Das ist der Dreh- und Angelpunkt.