Das Testergebnis verblüffte: Während die erste Wärme­pumpenanlage eine Jahres­arbeitszahl von 3,7 erreichte, langte es bei der zweiten lediglich zu einem indiskutab­len Wert von 2,4. Dabei waren die Wärmepumpen identisch, nur die Installationsbetriebe waren nicht dieselben. Kom­mentar der Tester: Offensicht­lich sind den Verantwortlichen bei der Dimensionierung und bei den Installationsarbeiten Fehler unterlaufen. Wie kann so etwas passieren?

Zunächst gilt es einmal, zwei wichtige Kenngrößen zu un­terscheiden. In Verkaufs- und Beratungsgesprächen wird häufig mit der Leistungszahl argumentiert. Für die Renta­bilität einer Wärmepumpenanlage ist sie nicht allein entscheidend, da sie unter gleich bleibenden Bedingungen auf einem Prüf­stand ermittelt wird und nur einen Mo­mentwert des Leistungsvermögens einer Wärmepumpe darstellt. Weit aussagekräf­tiger für die Einschätzung der Wirtschaft­lichkeit ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie ist zu verstehen als der Mittelwert einer sich dauernd ändernden Leistungszahl, be­trachtet über einen Zeitraum von einem Jahr. Sie berücksichtigt (anders als die Leis­tungszahl) auch die Leistungsaufnahmen der Hilfsantriebe wie Pumpen, Lüfter, Rege­lungen und sonstiger elektrischer Verbrau­cher, soweit sie für den Betrieb der Wär­mepumpenanlage benötigt werden. Die JAZ reagiert außerdem sehr stark bei An­hebung der Temperatur auf der Heizungs­seite sowie bei einer Senkung aufseiten der Wärmequelle. Um das mit einem Wert zu verdeutlichen: Eine mittlere Temperatur­erhöhung um 1 °C verschlechtert die Jahres­arbeitszahl um 2 bis 2,5 % und erhöht den Energieverbrauch um den gleichen Wert. Für die Ermittlung der Leistungszahl wenden sich Wärmepumpenhersteller in der Regel an unabhängige Institute (die übrigens auf Antrag auch die Erfüllung der Kriterien für das EHPA-Qualitätslabel bestätigen). Die Prüfbedingungen und -verfahren ba­sieren auf der europäischen Norm EN 14511 und den dort erwähnten weiteren Normen und Richtlinien. Die mittlere Leis­tungszahl wird durch Division der während der Prüfdauer gewonnenen Heizwärme durch die entsprechend aufgewendete elek­trische Energie bestimmt (ε= Q_wp/E_el). Sie gilt also nur mit Daten, die während der Prüf­dauer ermittelt wurden - zu einem späteren Zeitpunkt bei veränderten Bedingungen sind andere Werte zu erwarten. Im Voraus lässt sich die JAZ nur überschlä­gig ermitteln. Zu diesem Zweck haben die RWE Messergebnisse aus vielen bestehenden Anlagen zusammengetragen und daraus ein „Arbeitsblatt zur überschlägigen Bestim­mung der Jahresarbeitszahl einer Wärme­pumpenanlage" entwickelt. Dieses Form­blatt, das die Grundlage der VDI-Richtlinie 4650 bildet, wurde mit realen Messwerten validiert und ist in der Fachwelt allgemein an­erkannt. Man findet das Arbeitsblatt in ähnlicher Form auf Websites von Herstellern oder unter www.waermepumpe.de (Bun­desverband WärmePumpe (BWP) e. V.) und kann damit online arbeiten. Die Vor­gehensweise ist weitgehend automatisiert: Nach Eingabe von nur wenigen bauseitigen Daten wird die voraussichtliche Jahresar­beitszahl ermittelt.

Die Ermittlung der tatsächlichen Jahresar­beitszahl einer Wärmepumpenanlage und damit deren Wirtschaftlichkeit ist hingegen nur durch Messungen über einen längeren Zeitraum möglich. So führte die Bürgerver­einigung „Lokale Agenda 21 - Gruppe Um­welt/Energie Lahr" zusammen mit der Ortenauer Energieagentur in Offenburg von 2006 bis 2008 einen „Feldtest Elektro-Wärmepumpen" durch. Schon die Ergebnisse der Heizperiode 2006/2007 bestätigen das oben Gesagte:

Es bestehen erhebliche Unterschiede zwi­schen den Ergebnissen von Leistungs­zahlmessungen auf den Testständen und den Jahresarbeitszahlen, die unter realis­tischen Betriebsbedingungen erzielt wer­den.

Die Auswertung des Tests liefert folgendes Bild, wobei die Wärmepumpe jeweils mit ei­ner Fußbodenheizung betrieben wurde:

·         Spitzenreiter sind Erdreich-Wärmepum­pen. Sie erreichten im Mittel eine JAZ von 3,5 bis 3,6.

·         Grundwasser-Wärmepumpen erzielten einen Mittelwert von 3,4.

·         Luft-Wärmepumpen erreichten eine JAZ von durchschnittlich 2,95.

·         Bei den Warmwasser-Wärmepumpen be­trug der Mittelwert nur 1,7.

Am wirtschaftlichsten lassen sich Wärme­pumpen mit einer Fußbodenheizung betreiben. Die Jahresarbeitszahlen liegen bei reinem Heizbetrieb gegenüber einer Ra­diatorenheizung im Mittel um 0,3 (Erdreich-WP) bzw. 0,65 (Luft-WP) Punkte höher. Natürlich lässt sich eine Wärmepumpe auch mit Radiatoren betreiben (typischer Fall: Alt­bausanierung). Hersteller, Handwerker und Elektrizitätswerke sollten den potenziellen Käufern dann aber nicht verschweigen, dass sie bis zu 10 % (bei einer Erdreich-WP) bzw. bis zu 28 % (bei einer Luft-WP) mehr Strom verbrauchen. Das kann dann schon die Strommenge sein, die den Betrieb eines Wär­mepumpensystems unwirtschaftlich wer­den lässt.

Wie die „Lokale Agenda 21" jetzt schreibt, hat der „Feldtest Elektro-Wärmepumpen" der Phase 1 (2006 bis 2008) fast nur mäßi­ge bis schlechte Ergebnisse geliefert. Deshalb entschloss man sich, eine Phase 2 „Innova­tive Wärmepumpensysteme" von 2009 bis 2011 anzuschließen, um festzustellen, ob sich in allerjüngster Vergangenheit bereits etwas zum Positiven geändert hat oder ob und in welchem Maße weitere Verbesserungen erforderlich sind.

Jahresarbeitszahl größer drei für den Klimaschutz

Die tatsächlichen Jahresarbeitszahlen, die im geschilderten Feldtest auf Einzelwerten von 33 Heiz- und fünf Warmwasser-Wär­mepumpen basieren, sind für den Bau­herrn von einiger Bedeutung. Denn für ihn steht zum Zeitpunkt der Anschaffung in der Regel die Frage im Vordergrund, in welchem Zeitraum sich die höheren Investitionskosten, die im Vergleich zu den Kosten für eine Gas­ oder Ölheizung anfallen, durch Energie­einsparung bezahlt machen (zumindest pri­vate Bauherren rechnen häufig so, obwohl eine Amortisationsabschätzung angesichts der Unsicherheit bei der Beurteilung der zu­künftigen Preisentwicklung für Gas und Öl realistischerweise nicht möglich ist). Die Mitglieder der „Lokale Agenda 21 -Gruppe Umwelt/Energie" und mit ihnen viele Klimafachleute möchten über die Wirtschaftlichkeit hinaus auch den Klima­schutz berücksichtigt wissen und fordern deshalb für Wärmepumpen eine Jahresar­beitszahl von mindestens 3. Dahinter steht die Überlegung, dass Kraft­werke 100 % Primärenergie (Kohle, Gas, usw.) verbrauchen, um 33 % Sekundär­energie (elektrischen Strom) zu erzeugen. Es werden also 67 % der eingesetzten Energie in Form von Abwärme an die Umwelt ab­gegeben. Die Elektrowärmepumpe soll nun diesen Anteil wieder wett machen, was bei einer JAZ von 3 möglich wäre.

 Vor diesem Hintergrund wären also Erdreich-Wärmepumpen (mit Tiefensonden oder Erdreichkollektoren) und Grundwasser-Wärmepumpen in Verbindung mit Fußbo­denheizungen zu bevorzugen. Auf den Ein­satz von Luft-Wärmepumpen, die die ge­wünschte Jahresarbeitszahl 3 nicht erreichen, müsste hingegen konsequent verzichtet werden, selbst wenn sich ihre Anschaffung irgendwann finanziell lohnen würde. Das gilt erst recht, wenn sie für die Warmwasser­versorgung eingesetzt werden, wo sie ja nur auf einen mittleren Wert von 1,7 kommen, wie der Feldtest gezeigt hat. Luft-Wärme­pumpen wären allerdings dann ein Gewinn für die Umwelt, wenn die Antriebsenergie aus der Kraft-Wärme-Kopplung (beispiels­weise aus einem Blockheizkraftwerk) be­zogen würde, denn dann dürfte die emp­fohlene JAZ unter Umweltgesichtspunkten auch unter dem Wert von 3 liegen.

Fehler bei Dimensionierung und Installation

Auch die E.ON Energie AG in München führte Feldtests mit Wärmepumpen durch. Es wurden 29 Anlagen in Einfamilienhäusern über einen Zeitraum von zwei Heizperi­oden überwacht. Die Ergebnisse ließen, wie eingangs schon erwähnt, die Fachleute aufhorchen. Überraschend waren aber nicht so sehr die guten Jahresarbeitszahlen für die Grundwasser- und Erdreich-Wärmepumpen - die hatte man in etwa so erwartet -, son­dern die Tatsache, dass die Qualität von Pla­nung und Installation einen so hohen Einfluss auf die Jahresarbeitszahlen hatte. Zum Teil ergaben sich Abweichungen von mehr als 30 %.

Offensichtlich sind den Verantwortlichen Fehler unterlaufen, indem sie physikalische Gesetzmäßigkeiten, die die Rentabilität ei­ner Wärmepumpe ausmachen, außer acht gelassen haben. So muss die Menge der ein­gesetzten elektrischen Energie im Verhält­nis zur Menge der abgegebenen thermi­schen Energie so klein wie möglich sein. Das erreicht man erstens, wenn es gelingt, die Differenz zwischen der Eintrittstempera­tur des Wärmeträgers am Verdampfer und der Vorlauftemperatur der Heizungsanlage ebenfalls gering zu halten; und zweitens, wenn man Pumpen und eventuelle Stellan­triebe so klein wie möglich dimensioniert. Zu­sammengefasst: Die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenanlage hängt von den elek­trischen und thermischen Werten an der „kalten" Wärmequelle und der „warmen" Wärmesenke ab.

Die folgenden Beispiele sollen zeigen, wie fachmännische Planungs- und Installa­tionsarbeiten gute Leistungszahlen auch zu guten Jahresarbeitszahlen werden lassen.

Vorlauftemperatur der Heizung so niedrig wie möglich halten

Im Neubau sind die benötigten Vorlauf­temperaturen exakt bekannt, vorausge­setzt, der zuständige Architekt oder Fach­planer hat eine normgerechte Heizlastbe­rechnung durchgeführt. Es empfiehlt sich, eine Fußbodenheizung schon bei der Pla­nung etwas großzügiger auszulegen, bei­spielsweise für eine Vorlauftemperatur von maximal 30 statt 35 °C. Bei Sanierungs maßnahmen im Altbau werden die maxi­malen Vorlauftemperaturen in der Pla­nungsphase meistens geschätzt. Es kann sinnvoll sein, die so ermittelten Werte noch einmal zu überprüfen und zu korrigieren, wenn die erzielte JAZ völlig aus dem Rahmen fallen sollte. Möglicherweise sind dann zu­sätzliche Wärmedämmmaßnahmen und der Austausch vorhandener Radiatoren ge­gen größere unumgänglich. Eine erneute Überprüfung ist vor allem geboten bei Hei­zungsanlagen, die eine Vorlauftemperatur von mehr als 60 °C benötigen. Solche Hei­zungen können mit Wärmepumpen wirt­schaftlich wohl nur bivalent (also mit einem zweiten Wärmeerzeuger) betrieben werden. Ein weiterer wichtiger Punkt: An der Hei­zungsanlage muss unbedingt der vorge­schriebene hydraulische Abgleich durchge­führt werden. Wie Hersteller und Energie­fachleute immer wieder beklagen, wird diese Optimierungsmaßnahme fast regel­mäßig unterlassen. In vielen Fällen fehlt dazu wohl ganz einfach das notwendige Fach­wissen.

Pufferspeicher sind bei Fußboden­heizungen meistens überflüssig

Ein Heizungspufferspeicher (200 bis 1.000l) kann die JAZ einer Wärmepumpenanlage verringern. Er wird häufig eingebaut als so genannte hydraulische Weiche, die eine Mindestumlauf-Heizwassermenge garan­tieren soll. Ein zu geringer Heizwasser­durchfluss lässt sich aber auch durch den Einbau eines Überströmventils vermeiden. Ein Pufferspeicher ist allerdings dann erforderlich, wenn der Stromtarif für die Wärmepumpe eine Sperrzeit von meh­reren Stunden pro Tag vorsieht und diese Zeit dann durch einen größeren Heizwas­servorrat überbrückt werden muss. Das gilt aber nur bei Radiatorenheizungen. Fußbo­denheizungen bilden (bei einem genügend hohen Fußbodenaufbau) selbst einen aus­reichend großen thermischen Speicher. Der Verzicht auf einen Pufferspeicher kommt der JAZ mit 0,1 bis 0,2 Punkten zugute.

Erdreichkollektoren und Erdwärmesonden korrekt auslegen

Da die Jahresarbeitszahl entscheidend von der Eintrittstemperatur des Wärmeträgers am Verdampfer und von der elektrischen Ar­beit für den Wärmetransport abhängt, kommt einer einwandfreien Funktion der Erdreichkollektoren bzw. der Erdwärme­sonden eine hohe Bedeutung zu. Bevorzugt werden sollten Böden mit einer möglichst ho­hen Wärmeleitfähigkeit. Auch die Lage des Grundstücks, das den Erdreichkollektor auf­nehmen soll, kann sich auf den Ertrag aus­wirken.

So ist leicht einzusehen, dass solche Grund­stücke im Vorteil sind, die direkt und häufig von der Sonne beschienen werden und die genügend Regenwasser für einen schnellen Wärmetransport aufnehmen können. Leider ist es häufig so, dass der Bauherr an ein engbegrenztes Grundstück gebunden ist und Al­ternativen von daher nicht bestehen. Andere Faktoren lassen sich hingegen sehr wohl be­einflussen.

So müssen Erdreichkollektoren und Erd­wärmesonden regelmäßig entlüftet werden. Ferner ist bei der Verlegung der Kollektor­rohre darauf zu achten, dass die Rohrlängen der einzelnen Stränge 100 m nicht über­schreiten, um den Druckverlust im Kollek­torsystem in wirtschaftlichen Grenzen zu hal­ten.

Zu beachten ist außerdem die Viskosität des Wärmeträgermediums, einer Sole, die sich aus Wasser und einem Frostschutzmittel zu­sammensetzt. Mit einem zunehmenden Anteil des Frostschutzmittels würde der Druck steigen. Beide Fälle (zu große Rohr­längen und eine zu hohe Viskosität) machen eine höhere Leistung der Förderpumpe er­forderlich, was wiederum zu einer Verrin­gerung der JAZ führt. Manchmal legen Pla­ner oder Installateur Förderpumpen oder an­dere elektrischen Verbraucher innerhalb der Wärmepumpenanlage bewusst größer aus als notwendig, „um auf der sicheren Sei­te zu liegen". Das ist falsch. Man kann es nicht oft genug betonen: Jede unnötig ein­gesetzte elektrische Energie verringert die Jahresarbeitszahl und damit die Wirt­schaftlichkeit der Anlage.

Brunnenförderpumpe und Wassermenge exakt dimensionieren

Für die Wärmenutzung des Grundwassers werden ein Förder- und ein Schluckbrunnen benötigt. Der Abstand zwischen beiden sollte mindestens 15 m betragen. So kann ein Wärmekurzschluss, der einen unnötigen Energieverlust bedeuten und die JAZ ver­ringern würde, vermieden werden. An­sonsten gilt auch hier, was auch schon für den Erdreichkollektor gesagt wurde: Die Brunnenpumpe ist so auszulegen, dass der Energieverbrauch möglichst gering ist. Dazu gehört auch, dass nicht mehr Wasser ge­fördert wird als unbedingt nötig.

Die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepum­penanlage hängt entscheidend von der Ar­beitszahl bzw. - wenn sich der Betrach­tungszeitraum über ein Jahr erstreckt -von der Jahresarbeitszahl ab. Die Leis­tungszahl hingegen, die auf dem Typenschild und in den Datenblättern der Hersteller an­gegeben wird, ist nur ein Momentanwert, der allerdings auch seine Bedeutung hat, da er die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe beschreibt.

Planer und Installateure können die Jah­resarbeitszahl durch falsche Dimensionierung und fehlerhafte Installation massiv ver­schlechtern. Wird eine zu hohe Jahresar­beitszahl vermutet oder festgestellt sollte für eine Ursachenforschung an Folgendes er­innert werden: Es ist wichtig, die Differenz der Temperatur auf der „kalten" und die Vor­lauftemperatur auf der „warmen" Seite so gering wie möglich zu halten. Außerdem ist Sorge dafür zu tragen, die Leistung aller elek­trischen Hilfsantriebe wie auch die des Ver­dichters der Wärmepumpe so niedrig wie möglich zu bemessen. Nur so ist ein wirt­schaftlicher Betrieb von Wärmepumpen­anlagen zu gewährleisten.

Autor: Wilhelm Wilming freier Jornalist, Arhaus, der Artikel stammt aus der Zeitung „Moderne Gebäudetechnik“ 11/2009, Huss Medien