Studie : Überdimensionierung bei Wärmepumpen vermeiden

Im Auftrag der Energieplanung der Stadt Wien (MA 20/ Energieplanung) erstellte das Wiener Ingenieurbüro für Energie- und Umwelttechnik, die e7 Energie Markt Analyse GmbH (kurz e7), eine Studie, die Gründe und Strategien zur Vermeidung zur Überdimensionierung von Wärmepumpen liefert. Die Studie der Autorinnen Margot Grim-Schlink (Projektleiterin), Anita Preisler und Alina Stipsits wurde im Februar 2021 veröffentlicht (Anm. d. Red.: Erste Details zur Studie wurde Teilnehmern des virtuellen Klima-Kälte-Tages der HLK im November 2020 mitgeteilt und konnten Sie in der HLK 12/20 lesen).

Vor dem Hintergrund des Klimaschutzes und der Energiewende ist es wichtig, dass der gewünschte Komfort in Gebäuden mit möglichst wenig Energie bereitgestellt wird. Gebäudetechnikkonzepte sollten also möglichst passgenau und effizient die Energie für diese Gebäude und die angedachten Nutzungen bereitstellen. Aber in der Praxis werden diesem Ziel etliche Hürden in den Weg gestellt. Denn viele der geltenden Normen bieten zu wenig Flexibilität und Möglichkeiten, die Energietechnologien zur Gebäudekonditionierung dem tatsächlichen Bedarf anzupassen. Oder, vorhandene Flexibilitäten sind in den üblichen Berechnungsprogrammen nicht umgesetzt, sind Planern (m/w/d) unbekannt oder erhöhen den Planungsaufwand, ohne abgegolten zu werden. Bei den gängigen Normberechnungen werden Parameter angesetzt, die entweder einem veralteten Baustandard entsprechen oder für so ungünstige Rahmenbedingungen ausgelegt sind, die in der Realität nicht oder nur äußerst selten eintreten.

In Summe führt das in der Regel zu einer nicht unwesentlichen Überdimensionierung der Anlagentechnik ‑ übrigens nicht nur bei Wärmepumpen (Anm. d. Red.). Das steht natürlich im krassen Widerspruch zu den angepeilten Klimaschutz- und Energiewende-Zielen.

Prinzipiell ist es meist so, dass bei einer Auslegung des Heizungssystems nach den standardisierten Normverfahren die Anlagen meist wesentlich größer dimensioniert werden, als wenn man alle Möglichkeiten innerhalb der Normung ausschöpft. Die Anlagen können meist wesentlich kleiner und damit kostengünstiger dimensioniert werden, wenn man die Auslegung mittels dynamischer Simulation durchführt. Insbesondere bei Wärmepumpen werden neben den eigentlichen Investitionskosten für die Wärmeerzeuger, auch die benötigten Wärmetauscher (wie z.B. Erdsonden) und die Redundanzsysteme kostengünstiger.

Größere Anlagen bedeuten auch höhere Wartungs-, Instandhaltungs- und Instandsetzungskosten sowie oft auch höhere Energiekosten. Zusätzlich ist die Betriebsführung oft mit einem nicht ganz friktionsfreien Betrieb konfrontiert, der auch den Komfort der Nutzer (m/w/d) und damit die Produktivität beeinträchtigen kann.

Dem gegenüber stehen höhere Kosten für die Planung, insbesondere für die Gebäudesimulation und ein etwas höherer Zeitaufwand, die aber im Verhältnis zu den eingesparten Investitions- und Folgekosten in keinerlei Relation stehen.

In der Studie wird anhand verschiedener Planungs- bzw. Berechnungs-Beispielen (und auch anhand erfolgreicher Projekt-Beispiele) sehr plausibel und nachvollziehbar aufgezeigt, wie man zu besser dimensionierten und in der Regel auch zu kostengünstigeren Anlagen gelangt.

Der Kostenmehraufwand für den meist höheren Planungsaufwand (u.a. für eine dynamische Simulation) bei optimal dimensionierten Anlagen kann in jeder der hier dargestellten Varianten auf jeden Fall durch die Investitionseinsparung finanziert werden – das zeigen die Studienautorinnen auf. Je größer die Berechnungs-Heizleistung ist, umso größer kann die Investitionseinsparung mittels Simulation ausfallen. Der Planungsaufwand steigt jedoch bei so großen Anlagen nicht im gleichen Ausmaß.

Die Autorinnen der Studie geben am Schluss einige interessante wie wichtige Empfehlungen in Richtung Planender (m/w/d) ab:

Auf gute Kommunikationsstrukturen und partnerschaftliche Zusammenarbeit achten

Festschreiben der Zieldefinition

Komfortparameter als Ziel definieren, nicht die Berechnung nach Norm

Komfortparameter umfassend definieren

Nutzungszonen

Nutzungs- und Nicht-Nutzungszeiten

Komfortanforderungen inkl. Toleranzen

Mögliche Nutzungsänderungen

Vorgaben für Normberechnung in PlanerInnenverträge

Anpassung der Defaultwerte

Abziehen weiterer Wärmelieferanten

Verwendung der ÖNORM H 5151-1:2010 (Austrian Standards Institute, 2010) zur Dimensionierung der Wärmeversorgung sowie Einsatz der darin empfohlenen Lastausgleichspeicher

Prüfung zusätzlicher Komponenten, um ein häufiges Takten zu unterbinden.

Untersuchung Teillastverhalten und Definition von Betriebsfällen für die Auswahl der Systeme

Vorgaben für Simulation (Definition von realitätsnahen Raumnutzungsdaten und Referenz-Klimadatensätzen,…)

Folgende Planungsschritte werden in der Studie im Zuge der Normberechnung empfohlen:

Standardwerte auf realistische Nutzungsbedingungen und reale Gebäudewerte anpassen (Gleichzeitigkeitsfaktoren, Aufheizleistung, interne und solare Gewinne, Wärmebrückenzuschläge, Luftdichtheit)

Dimensionierung der Abgabesysteme nach Norm wird empfohlen

Für die Dimensionierung der Verteilleitungen sollten die Gleichzeitigkeitsfaktoren bereits an ein realistisches Maß angepasst werden

Dimensionierung des Wärmeerzeugungs-Systems: Berechnung sortierter Werte der erforderlichen Gebäude-Heizleistungen für ein Jahr (=Jahresdauerlinie); Auswahl Wärmeerzeugungs-Technologien anhand Jahresdauerlinie (Grundlastabdeckung, Spitzenlastabdeckung); gegebenenfalls Verringerung der maximal erforderlichen Wärmeleistung des Wärmebereitstellungs-Systems.

Dimensionierung mittels Simulation (nicht nur eine Komfortsimulation wird empfohlen, sondern auch die Auslegung von Wärmeerzeugern inkl. deren Wärmequellen. Eine thermisch-dynamische Gebäudesimulation zeigt viele Details auf, nicht nur das Reaktionsverhalten des Gebäudes)

Zur Dimensionierung, unabhängig von Berechnungsmethode, erachten die Studien-Autorinnen folgende weitere Maßnahmen für sinnvoll:

Auf Basis der geordneten Jahresdauerlinie aus der Normberechnung und/oder der Simulation können Betriebsfälle für Teillastverhalten definiert werden und daraus ableitend eine Strategie für ein Anlagensplitting gemacht werden.

Einsatz von Spitzenlastsystemen

Zusätzliche Wärmelieferanten von Dimensionierung abziehen (z.B. Lüftungsanlagen, Abwärmenutzung)

Einsatz eines Lastausgleichsspeichers ab einer Größe von 50 kW zur Verringerung der erforderlichen Wärmeleistung des Wärmeerzeugungs-Systems (ÖNOM H5151-1, S.25/Austrian Standards Institute, 2010)

Aktivierung von Speichermassen zur Reduktion von Aufheiz- und Abkühlleistung

Einsatz eines ausgelegten Pufferspeichers zur Reduktion von Ein- und Ausschaltvorgängen (ÖNORM H5151-1, S26) (Austrian Standards Institute, 2010)

Die e7-Studie kann auf der Website der Abteilung Energieplanung der Stadt Wien (MA 20) als PDF kostenfrei runtergeladen werden.