Das Institut für Sektorenkopplung in der Energiewirtschaft (IfSK) der Hochschule Hamm-Lippstadt (HSHL) untersucht seit mehreren Heizperioden, unter welchen Bedingungen Bestandsgebäude für den Einsatz von Wärmepumpen geeignet sind. Betrachtet wurden sowohl Einfamilienhäuser als auch größere Mehrfamilienhäuser, deren Heizsysteme häufig als ungeeignet eingeschätzt werden. Dafür wurden während der Heizperiode Sensoren an der Vor- und Rücklaufleitung installiert und über den Endenergieverbrauch erwartbare Jahresarbeitszahlen ermittelt.
Im Rahmen mehrerer Kooperationen mit Wohnungsgenossenschaften in der kreisfreien Stadt Hamm, den Landkreisen Soest und Warendorf wurden reale Heizsysteme messtechnisch erfasst. Die Kampagne umfasste überwiegend gasversorgte Mehrfamilienhäuser mit Etagenheizungen oder Zentralheizungen. Zur Vorgehensweise gehörten: die messtechnische Erfassung des Ist-Zustands (Gasverbrauch/Ölverbrauch, Vorlauf- und Rücklauftemperatur, Außentemperatur, Betriebszeiten), die statistische Analyse der Temperaturspreizung sowie die Ableitung der Heizkennlinie und der Heizlast. Das Besondere an diesem Ansatz ist darüber hinaus nicht nur, dass diese Daten ohne Eingriff in die Gebäudesubstanz, sondern auch, dass sie unter Einbindung der Gebäudeeigentümer aufgenommen wurden. So wurden diese, nach dem Prinzip „Hilfe zur Selbsthilfe“, zu Akteuren, was eine breite Anwendung der Methodik befördern soll.
Die Untersuchungen zeigen, dass man vom Baualter oder vom äußeren Eindruck nur selten auf die tatsächlichen thermischen Eigenschaften eines Gebäudes schließen kann. Vermeintlich ungeeignete Gebäude weisen oft überraschend günstige Betriebsparameter auf, während in scheinbar gut geeigneten Objekten hydraulische oder regelungstechnische Defizite den effizienten Betrieb erschweren.
Vor diesem Hintergrund wurden praxistaugliche Methoden entwickelt, mit denen sich ohne aufwendige Heizlastberechnungen realitätsnahe Aussagen über Heizlastspannen, erforderliche Systemtemperaturen und die hydraulische Qualität von Heizsystemen treffen lassen. Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass insbesondere die Hydraulik im Gebäudebestand über die Wärmepumpeneignung entscheidet – ein Punkt, der bislang nicht selten unterschätzt wurde.
Herausforderungen im Gebäudebestand
Während in bestehenden Einfamilienhäusern meist kompakte Rohrnetze und vergleichsweise geringe Warmwasserlasten vorliegen, weisen Mehrfamilienhäuser oftmals komplexere hydraulische Strukturen mit größeren Leitungslängen und stärker variierenden Lastprofilen auf, was höhere Ansprüche an die Analysen stellt. Typische Herausforderungen sind:
- große Rohrnetze mit erhöhten Druckverlusten,
- hohe Warmwasserlasten mit erhöhtem Temperaturniveau,
- fehlender oder unzureichender hydraulischer Abgleich und
- ungünstig eingestellte Heizkurven und erhöhte Vorlauftemperaturen.
In vielen der untersuchten Gebäude wurden zudem Vorlauftemperaturen oberhalb von 60 Grad Celsius beobachtet. Unter diesen Randbedingungen sinkt die zu erwartende Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe typischerweise schnell unter wirtschaftlich günstige Werte. Gleichzeitig bewegen sich konventionelle Wärmepumpen außerhalb ihres optimalen Arbeitsbereichs.
Solche erhöhten Systemtemperaturen sind offenbar nicht ausschließlich durch die energetische Qualität der Gebäudehülle bedingt, sondern können zusätzlich hydraulische oder regelungstechnische Ursachen haben. Darauf weisen Messungen wie die von Wolff et al. hin [1]. Während Gebäude mit Vorlauftemperaturen unter 55 Grad rechnerische Jahresarbeitszahlen von nicht selten über 3 und höher erreichen können, führen dauerhaft erforderliche Temperaturen von 65 bis 70 Grad regelmäßig zu Arbeitszahlen bis herunter zu 2, die Fragen zum Beispiel nach einem Spitzenlastkessel als Ergänzung aufwerfen.
Datengestützte Bestimmung der realen Heizlast
Ein wesentlicher Bestandteil der Bewertung ist die Bestimmung der tatsächlichen Heizlast eines Gebäudes auf Basis realer Betriebsdaten. In vielen Bestandsanlagen stehen keine Wärmemengenzähler zur Verfügung, mit denen Datenanalyse betrieben werden kann. Dennoch kann die erforderliche Heizleistung mit ausreichender Genauigkeit und geringem materiellen Aufwand aus Gasverbrauch und Temperaturmessungen ermittelt werden.
Grundlage bildet die Energiebilanz des Heizsystems. Die übertragene Wärmeleistung eines Heizkreises ergibt sich nach [2] aus Gleichung (1):
Q. = ρ · V.Heizung· cp · Δϑ (1)
Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom des Heizwassers V.Heizung, der Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf (Δϑ = ϑ Vorlauf - ϑ Rücklauf) und der übertragenen Wärmeleistung Q.. In Kombination mit dem gemessenen Gasverbrauch [3] (Brennwert, Heizwert) kann daraus die mittlere Heizleistung [4] bestimmt werden.
Aus den zeitlich hochaufgelösten Messdaten (zirka alle zehn bis 15 Minuten) lassen sich anschließend Kennlinien ableiten, die den Zusammenhang zwischen Außentemperatur und benötigter Heizleistung beschreiben. Durch statistische Mittelung der Messwerte entsteht eine robuste Gebäudeheizkurve, die die tatsächlichen thermischen Eigenschaften des Gebäudes abbildet. Die resultierende Funktion beschreibt die Heizleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur (Abb. 2).
Diese empirische Kennlinie ermöglicht eine Abschätzung der Heizlast bei Normaußentemperatur und stellt damit eine praxistaugliche Alternative zu rein theoretischen Berechnungsverfahren dar. Die Methode eignet sich insbesondere für:
- Bestandsanlagen ohne Wärmemengenzähler,
- Energieanalysen im Gebäudebestand,
- Plausibilitätsprüfungen von Heizkurven,
- Vorbereitung der Wärmepumpenauslegung sowie die
- Identifikation hydraulischer Optimierungspotenziale.
Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, dass reale Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, einschließlich interner Gewinne, solarer Einträge und nutzungsbedingter Effekte.
Bedeutung der Hydraulik für den Wärmepumpenbetrieb
Entscheidenden Einfluss auf die Effizienz von Wärmepumpen hat die hydraulische Qualität des Heizsystems. Ein wichtiges Indiz dieser Qualität ist der Volumenstrom im System, der gemäß Gleichung (2) von mehreren Kenngrößen abhängt [5]. Vor allem die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur spielt dabei eine bedeutende Rolle:
V.Heizung = (Vgas · H · η) / (t · ρ · cp· Δϑ) (2)
- V.Heizung = Volumenstrom des Heizwassers in l/h
- Vgas = Gasvolumen (Zählerstand - Differenz) in m³
- H = Heizwert (Hi) oder Brennwert (Hs) in kWh/m3
- η = Anlagenwirkungsgrad (Nutzungsgrad) in %
- t = Zeitbezug der Messung (Zeitraum) in (Stunden)
- ρ = Dichte des Heizwassers in kg/m3
- cp = spezifische Wärmekapazität des Heizungswassers in Wh/(kgK)
- Δϑ = Temperaturdifferenz beziehungsweise -spreizung zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur in K oder °C
Die Auswertung zahlreicher Messdatensätze in Abb. 3 zeigt typische Zielbereiche:
- Fußbodenheizung: optimale Spreizung etwa drei bis 7 K
- Radiatorheizungen: optimale Spreizung etwa zehn bis 15 K
Abweichungen von diesen Bereichen weisen häufig auf hydraulische Probleme hin. Die Spreizung ergibt sich nach Gleichung (3):
ΔϑSpreizung = ϑVorlauf - ϑRücklauf (3)
Eine zu große Spreizung deutet auf zu geringe Volumenströme hin. Ursachen können verschmutzte Filter, falsch eingestellte Pumpen oder ein fehlender hydraulischer Abgleich sein. Eine zu geringe Spreizung ist dagegen ein Indiz für überhöhte Volumenströme, die zu einem erhöhten Pumpenstromverbrauch und Strömungsgeräuschen führen können [6]. Die Auswertung des Volumenstroms ermöglicht eine zusätzliche Plausibilitätsprüfung. Typische Werte für ein heizkörperbasiertes Gebäude (zehn Kelvin Spreizung) liegen in den folgenden Bereichen:
- Einfamilienhaus: 690 bis 1.380 l/h mit acht bis 16 kW Heizleistung
- Mehrfamilienhaus: 1.720 bis 4.300 l/h mit 20 bis 50 kW Heizleistung
Ein Vergleich mit diesen Größenordnungen ermöglicht eine schnelle Einschätzung der hydraulischen Situation (Abb. 4). Ein hydraulischer Abgleich [7] stellt sicher, dass alle Heizkörper und Heizflächen entsprechend ihrer Heizlast mit Heizwasser versorgt werden. Ohne Abgleich nimmt das Heizwasser den Weg des geringsten hydraulischen Widerstands, während ungünstig angebundene Heizkörper unterversorgt bleiben.
Moderne Umwälzpumpen ermöglichen eine bedarfsgerechte Anpassung des Differenzdrucks. Besonders geeignet ist für gewöhnlich eine proportionale Druckregelung, bei der der Pumpendruck mit sinkendem Volumenstrom reduziert wird. So werden Strömungsgeräusche und Stromverbrauch in heizkörperbasierten Systemen reduziert.
Mögliche Optimierungsmaßnahmen im Bestand
Die Betrachtung der Messdaten macht klar, dass viele Gebäude bereits mit vergleichsweise kleinen Maßnahmen für den Einsatz von Wärmepumpen ertüchtigt werden können:
- eine Optimierung der Heizkörper,
- ein hydraulischer Abgleich,
- eine Anpassung der Heizkurven-Regelstrategie,
- eine Pumpenoptimierung,
- ein Fenstertausch oder eine Teilmodernisierung,
- eine dezentrale Warmwasserbereitung oder
- Hybridlösungen (Spitzenlastkessel).
Die Ergebnisse zeigen, dass umfassende Sanierungen der Gebäudehülle nicht in jedem Fall erforderlich sind, um einen effizienten Wärmepumpenbetrieb zu ermöglichen.
Interpretation der Messergebnisse, Fazit und Ausblick
Die Kombination aus systematischer Messung, physikalischer Plausibilisierung und statistischer Auswertung ermöglicht eine realitätsnahe Bewertung der Wärmepumpeneignung des Bestands. Die datenbasierte Bewertung führt zu einem verbesserten Verständnis der realen Situation und hilft, typische Fehlannahmen zu vermeiden. Diese entstehen bisher noch durch pauschale Moment-Temperaturannahmen, durch Überbewertung des Baualters und unzureichende Berücksichtigung von hydraulischen Effekten, ebenso durch fehlende Kenntnis realer Betriebsparameter und der vorhandenen Dämmstandards.
Die Analyse realer Betriebsdaten verdeutlicht letztlich, dass der Gebäudebestand wesentlich heterogener ist als häufig angenommen. Viele Ein- und Mehrfamilienhäuser weisen bereits heute günstige Voraussetzungen für den Einsatz von Wärmepumpen auf. Wo das nicht der Fall ist, können die Systemtemperaturen minimalinvasiv reduziert werden. Gerade für größere Mehrfamilienhäuser eröffnen sich dadurch zusätzliche Optionen für den wirtschaftlichen Umstieg auf die Erneuerbaren.
Ein Ziel der Forschungsarbeiten ist zudem die Entwicklung standardisierter Messmethoden, die auch ohne wissenschaftliche Begleitung eingesetzt werden können. Zu diesem Zweck wird derzeit am IfSK ergänzend an einem sogenannten Bürgersensor gearbeitet, der von Laien installiert werden kann und der über eine einfache Erfassung von Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sowie Verbrauchsmessungen die Daten erzeugt, aus denen dann Kennlinien und Heizlasten generiert werden können. Dadurch wird niedrigschwellig eine Grundlage für die Investitionsentscheidungen geschaffen – für Gebäudeeigentümer, Energieberatungs- und Planungsbüros sowie Wohnungsunternehmen. Sie kann dazu beitragen, Fehlplanungen zu vermeiden und Tempo in die Wärmewende zu bringen.
Gefördert von Bund und Land
Der WärmepumpenCheck ist Teil des Projektes Werkbank Sektorenkopplung, gefördert im Rahmen des 5-StandorteProgramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages sowie kofinanziert vom Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen.
Quellen und Literatur
[1] Wolff, Dieter, et.al., Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Abschlussbericht Hydraulischer Abgleich, 2014. www.delta-q.de
[2] VDI‑Wärmeatlas, 11. Aufl., Springer Vieweg, 2013
[3] DVGW G 685-1 + -2: T1 - Gasabrechnung – Grundlagen der Energieermittlung, T2 – Brennwert, DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V., 2020
[4] DIN EN 12831: Heizungsanlagen in Gebäuden – Berechnung der Norm‑Heizlast, Beuth-Verlag, 2017
[5] VDI 2073, Blatt 1, VDI-Verlag, 2013
[6] Recknagel, Sprenger, Schramek, Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik, Oldenburg Verlag, 80. Auflage, 2021/2022
[7] BWP Bundesverband Wärmepumpe e.V., Leitfaden Hydraulik, August 2023
Bild: Andreas Lutters
Bild: HSHL
Bild: Bettina Nocke
