Nachhaltige Gebäude-Energietechnik - Freiburger ...
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Nachhaltige Gebäude-Energietechnik
Die Bedeutung von Wärmepumpen für einen
klimaneutralen Gebäudebestand
Dr. Stefan Hess
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
INATECH | Prof. Hans-Martin Henning
Freiburger Wissenschaftsmarkt
18. Juni 2021, online
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im BestandInstitut für Nachhaltige Technische Systeme
Professur »Solare Energiesysteme« am INATECH
Inhaber: Prof. Dr. Hans-Martin Henning in
Personalunion mit der Leitung des Fraunhofer-
Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg
Schwerpunkte:
Gebäudeenergietechnik und erneuerbaren Energien
Vorlesungen Energy in Buildings, Technologien
erneuerbarer Energien und Thermodynamik im
Studiengang »Sustainable Systems
Engineering SSE« (Bachelor und Master)
Forschungsgruppe »Nachhaltige Gebäude-
Energietechnik« (Dr. Stefan Hess) mit enger
Anbindung an das Fraunhofer ISE
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 2
Agenda
Nachhaltige Gebäude und Klimaziele
Forschung am Fraunhofer ISE und bei Uni Freiburg
Projektbeispiel: LowEx-Bestand
Selektiver Heizkörpertausch
Frischwasserstation und Ultrafiltration
Studie: Wärmepumpe vs. Gaskessel
Fazit
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 3
Nachhaltige Gebäude
Endenergie Raumwärme und Warmwasser 2019
Welcher Anteil der Gebäudewärme wurde in Deutschland vor Ort durch Öl und Gas
bereitgestellt?
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 4
Nachhaltige Gebäude
Endenergie Raumwärme und Warmwasser 2019 in TWh
Raumwärme und Warmwasser
33,5% der gesamten Endenergie
Anteil direkt genutzter fossiler
Energieträger 71%
Erneuerbare überwiegend
Biomasse
Endenergie Raumwärme + WW
Fossil direkt 71%
Strom 5%
Fossil
direkt Fernwärme 8%
Erneuerbare 16%
Daten: Zahlen und Fakten - Energiedaten, BMWi 2021
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 5
Nachhaltige Gebäude
DGNB: Kriterien für Zertifizierung
Quelle: DGNB Zertifizierungssystem: Kriterien, 2020
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 6
Nachhaltige Gebäude
Klimaneutralität im Lebenszyklus
DGNB Rahmenwerk klimaneutrale Gebäude und Standorte, 2020
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 7
Hochgradig erneuerbar versorgte Gebäude
Zielpfad Emissionen im Gebäudesektor bis 2045
Iso-Linien der THG-Emissionen für Gebäude-
Novelle Klimaschutzgesetz (05/2021):
Einsatz klimaschonender Wärmetechnik
wärme bezogen auf heute (100 %)
Reduktion bis 2030:
Gebäude von heute 118 Mt CO2e
auf 67 Mt CO2e in 2030 (- 43%)
Reduktion bis 2040:
Minderung um 88 % gegenüber
1990 über alle Sektoren
Klimaneutralität bis 2045
Klimaschonende Wärmebereitstellung
erneuerbare Energien
Energetische Sanierung Gebäudehülle
Abb: Berliner Energietage 2021, Session 1.04, Prof. Henning
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 8
Agenda
Nachhaltige Gebäude und Klimaziele
Forschung am Fraunhofer ISE und bei Uni Freiburg
Projektbeispiel: LowEx-Bestand
Selektiver Heizkörpertausch
Frischwasserstation und Ultrafiltration
Studie: Wärmepumpe vs. Gaskessel
Fazit
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 9
Wie könnte der Gebäudebestand die Klimaziele erreichen?
Ergebnisse REMod-Studie Gesamtsystem DE: Raumwärme und Trinkwarmwasser (Update 12/2020)
Zentrale Ergebnisse (Referenz-Szenario):
Sanierung rund 1,7 %/a
Wärmpumpen und Fernwärme
wichtigste Wärmebereitstellungs-
techniken
Wasserstoff im Kontext
Kraftwärmekopplung und Bereitstellung
von Flexibilitätsoptionen
Solarthermie kommt hinzu (hier nur
Haupt-Wärmeerzeuger dargestellt)
Studie: Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem.
Update Dez. 2020 mit THG-Reduktion 65 % bis 2030 und
100% bis 2050. Fraunhofer ISE
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 10Wie funktioniert ein Wärmepumpen-System?
Einfamilienhaus: Stand der Technik im Neubau
Wärmequellen:
Außenluft
Erdreich
Grundwasser
Seewasser
Abwärme
Performance:
Jahres-Arbeitszahl
Autarkiegrad
Grid-Support
Abb.: Tjaden et al.,30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, 2015
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 11Wie effizient sind Wärmepumpen im Bestand?
Monitoring-Ergebnisse aus Projekt »WPsmart im Bestand«
Auch bei
geringer
Sanierung
können
Wärmepumpen
mit hoher
Effizienz
eingesetzt
werden
Ersatz des
Ölkessels durch
eine
Wärmepumpe
bei ansonsten
unverändertem
Gebäude
möglich
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 12 Quelle: Abschlussbericht WP Smart im Bestand, Fraunhofer ISE, 2020Haben wir genug erneuerbaren Strom?
www.energy-charts.de
Netto-Stromerzeugung in Deutschland 2021, Woche 24
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 13Haben wir genug erneuerbaren Strom?
www.energy-charts.de
Anteil Erneuerbarer Energien
an der Strombereitstellung
im Jahr 2020: 46 %
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 14Geht Klimaneutralität auch in Nichtwohngebäuden?
Beispiel: Neues Rathaus im Stühlinger, Freiburg (2018)
Gebäude:
Bauteilaktivierung (Heizen/Kühlen),
Quelle Grundwasser
Verschattung fest + adaptiv
Endenergiebedarf 46 kWh/m2a,
davon Raumwärme 17 kWh/m2a
System:
Solarthermie, Wärmepumpe,
Spitzenlastkessel
Raumlufttechnik mit WRG
Photovoltaik Fassade und Dach:
13 000 m2 (220 kWp)
DGNB-Preis „Nachhaltiges Bauen“ 2018
Passivhaus (17 kWh/m2a Heiz), Plusenergie-Haus Energie-Managementsystem
Baunetzwissen.de: Büro- und Verwaltungshaus Rathaus Freiburg
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 15Agenda
Nachhaltige Gebäude und Klimaziele
Forschung am Fraunhofer ISE und bei Uni Freiburg
Projektbeispiel: LowEx-Bestand
Selektiver Heizkörpertausch
Frischwasserstation und Ultrafiltration
Studie: Wärmepumpe vs. Gaskessel
Fazit
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 16Status Quo und Hemmnisse
Marktanteile von Wärmepumpen
Neubau
Ein- und Zweifamilienhäuser:
46 %1; häufigste Heiztechnik Umwelt
Mehrfamilienhäuser: 24 %1 Wirtschaft-
lichkeit
Bestand
Nutzer-
Alle Sanierungen: 6 %2 freundlichkeit
Keine Unterscheidung zwischen EZFH und MFH
1: Destatis 2020: Baufertigstellungen Neubau im Jahr 2019. www-genesis.destatis.de/genesis (Tabelle 31121-0004).
2: Destatis 2020; BWP 2020: Wärmepumpenabsatz 2019; BDH 2021: Marktentwicklung Wärmeerzeuger Deutschland 2011–2020
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 17Status Quo und Hemmnisse
Anteil Mehrfamilienhäuser
Anzahl Gebäude Wohnfläche
1%
17 % MFH > 12 WE 10 %
MFH 3 - 12 WE
EZFH
31 %
59 %
82 %
Bürger, V.; Hesse, T.; Quack, D.; Palzer, A.; Köhler, B.; Herkel, S.; Engelmann, P. (2015): Klimaneutraler Gebäudebestand
2050. CLIMATE CHANGE 06/2016. Umweltbundesamt (Hrsg.). Dessau-Roßlau. (ISSN: 1862-4359)
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 18Status Quo und Hemmnisse
Hemmnisse für Wärmepumpen im Mehrfamilienhaus-Bestand
Technisch
Begrenzte Flächenverfügbarkeit
Lärmbelastung; Abstände Erdsonden
© TU Darmstadt
Hohe Vor- und Rücklauftemperaturen Zeilenbebauung
für Radiatoren und Trinkwarmwasser
LowEx-Maßnahmen
Wirtschaftlich
Hohe Investition verglichen mit Gaskessel
Hohe Strompreise
Blockrandbebauung © TU Darmstadt
Investor-Nutzer-Dilemma in Mietwohnungen
Pictures: Hegger et al. (2012), UrbanReNet. Schlussbericht; Roth (1980),
Wechselwirkungen zwischen der Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssystemen
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 19Projektverbund »LowEx-Bestand«
Analyse:
Technologieprojekte
mit Fraunhofer ISE:
Analyse Technologie
HTWP
FIHLS
Demonstration HEAVEN
NK4HTWP
Demo-Projekte: AdoSan
Wohnungsgesellschaft Adorf
Smartes Quartier KA-Durlach
Frank Bramfeld GBR, Hamburg www.lowex-bestand.de
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 20Demonstration: Smartes Quartier Karlsruhe Durlach (BJ 1963, teilsaniert 1995)
Ökonomisch und effizient
Smarte Integration von
Wärmepumpen, PV, PVT,
BHKW und Nahwärme
Erzeugung des WP-Stroms WP 1
vor Ort (Autarkie 88 %) Quelle:
PVT-Kollektoren
Reduktion CO2e: 52 %
Technologie-Demonstration WP 2
PVT-Kollektoren als Quelle:
Luft + Erdreich
Energie-
management BHKW
Wärmequelle
© Google Earth,
Mehrquellen WP-System Map data: Google, GeoBasis-DE/BK
(Luft und Erdsonden)
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 21Agenda
Nachhaltige Gebäude und Klimaziele
Forschung am Fraunhofer ISE und bei Uni Freiburg
Projektbeispiel: LowEx-Bestand
Selektiver Heizkörpertausch
Frischwasserstation und Ultrafiltration
Studie: Wärmepumpe vs. Gaskessel
Fazit
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 22Beispielgebäude
Mehrfamilienhaus in Karlsruhe Durlach
1963 erbaut und 1995 energetisch saniert
Insgesamt 30 Wohneinheiten (3 Hauseingänge
mit 5 Vollgeschossen)
Spezifischer Wärmeverbrauch:
Raumheizung: 61 kWh/(m²a)
Trinkwassererwärmung: 32 kWh/(m²a)
16.04
Zum Hauseingang B, C
Zum Hauseingang B, C
Heizlast nach DIN EN 12831: 66 kW
11.88
TWE
Rechnerische Leistung zur TWE: 8 kW
Heizungsraum
Hauseingang A Hauseingang A
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 23Selektiver Heizkörpertausch
Smartes Quartier KA-Durlach: Aktuell TVL/RL = 70°C / 55°C, raumweise Heizlast
2000
TTsup,nom Reduktion von TVL/RL auf
VL,nom/T
/TRL,nom
ret,nom
1750 60°C/50°C:
80°C/60°C 70°C/55°C
Austausch von
1500
Heizlast pro Raum [W]
60°C/50°C 55°C/45°C 3 % der Radiatoren
1250 Reduktion von TVL/RL auf
55°C/45°C:
1000 Austausch von
Kritische Radiatoren
11 % der Radiatoren
750
Ergebnis:
500 Luft-WP: -18,5% Strom
Erd-WP: -22,7 % Strom
250
0 Lämmle et al. (2019): Gezielter
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Heizkörper-Austausch in
Wärmepumpen-Heizungsanlagen.
Heizleistung Radiatoren pro Temperaturspreizung [W] DKV-Tagung 2019, Ulm, AA IV.16.
www.lowex-bestand.de
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 24Agenda
Nachhaltige Gebäude und Klimaziele
Forschung am Fraunhofer ISE und bei Uni Freiburg
Projektbeispiel: LowEx-Bestand
Selektiver Heizkörpertausch
Frischwasserstation und Ultrafiltration
Studie: Wärmepumpe vs. Gaskessel
Fazit
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 25Systemvarianten Trinkwasser-Erwärmung
Referenzvariante: indirekt beheizter TWW-Speicher
Raumheizung (in allen Varianten gleich)
↯ Heizstab
Monoenergetisches WP-System:
55 °C 55 °C
Auslegungs-Bivalenzpunkt: -5 °C
↯ Auslegungs-Heizleistung (WP): 55 kW
Radiator max. VL-Temp. der WP: 65 °C
45 °C 45 °C
Raumheizung:
Wärmeerzeuger
Auslegung: 55 °C / 45 °C / 20 °C bei -12 °C
Variante 1: TWW-Speicher
VL-Temperatur-Regelung über Heizkurve
60 °C
TWW Trinkwasser-Erwärmung:
↯ 55 °C
Anteil am Wärmeverbrauch (gemessen):
65 °C TWW-Z 32 kWh/(m²a); ca. 1/3 des Wärmebedarfs
Luft/Wasser- TWK: Trinkwasser kalt
14 °C TWW: Trinkwasser warm Kropp, Hess et al, Session 2.08,
Wärmepumpe ↯ TWK
Berliner Energietage 2021
TWW-Z: Zirkulation
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 26Systemvarianten Trinkwasser-Erwärmung
Alternativ-Varianten 2 bis 4: Frischwasser-Station, Ultrafiltration und Wohnungs-Übergabestation
Raumheizung (in allen Varianten gleich)
Variante 2: FriWa zentr. Variante 4: Whg.-Stat.
↯ Heizstab
55 °C 55 °C
45 °C 45 °C
70 °C 60 °C TWW TWW TWW
↯ ↯
65 °C TWW-Z
Radiator 55 °C
45 °C 45 °C
45 °C 45 °C TWW TWW
14 °C
TWK
Wärmeerzeuger
Variante 1: TWW-Speicher Variante 3: FriWa + UFM
60 °C 55 °C 50 °C 55 °C
TWW TWW
TWW-Z
↯ 55 °C ↯ ↯
TWW-Z 55 °C 45 °C 55 °C
65 °C
UFM
Luft/Wasser-
14 °C 14 °C 50 °C 14 °C
Wärmepumpe TWK TWK TWK
TWK: Trinkwasser kalt TWW: Trinkwasser warm TWW-Z: Zirkulation
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 27Verluste und Endenergieverbrauch zur TWE
35 Anteil Heizstab an TWE:
JAZTWW: 2,0 JAZTWW: 2,2 3% JAZTWW: 3,2 JAZTWW: 3,2
30
38% 37% TWW-Speicher: 22 %
(davon 60 %
25 Legionellenschaltung)
Energie [MWh/a]
FriWa zentr.: 14 %
20
-3% FriWa + UFM: < 1 %
21% 20%
15
Whg.-Stat.: < 1 %
10
Q WP + Q Heizstab
5 JAZ =
EWP + EHeizstab
0
Q_Verl
QVerlust EQ_End
End Q_Verl
QVerlust EQ_End
End Q_Verl
QVerlust EQ_End
End Q_Verl
QVerlust EQ_End
End Zapfenergiebedarf: ca. 45 MWh/a
TWW-Speicher
Variante 1 FriWa zentr.
Variante 2 FriWa + UFM
Variante 3 Whg.-Stat.
Variante 4 Nicht nutzbare Verteilverluste:
im unbeheizten Keller
Speicherverluste nicht nutzbare Verteilverluste teilw. nutzbare Verteilverluste
Wärmepumpe Heizstab Pumpen UFM Teilw. nutzbare Verteilverluste:
in Steigleitungen
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 28Gesamtsystemvergleich
200 4
-1% 2% 2%
3,4 3,4 3,5 Anteil Heizstab an TWE:
3,4 3,4
bereitgestellte Wärmemenge [MWh/a];
3,3 3,3
3,2 3,2 TWW-Speicher: 22 %
150 3
2,8 2,9 (davon 60 %
Strombezug [MWh/a]
2,5
Legionellenschaltung)
FriWa zentr.: 14 %
JAZ [-]
2,2
100 2,0 2
FriWa + UFM: < 1 %
2,2% 18% 18% 1,5 Whg.-Stat.: < 1 %
50 1
Q WP + Q Heizstab
JAZ =
0,5 EWP + EHeizstab
0 0
Wärme Strom Wärme Strom Wärme Strom Wärme Strom
Zapfenergie ca. 45 MWh/a
TWW-Speicher
Variante 1 FriWa zentr.
Variante 2 FriWa + UFM
Variante 3 Whg.-Stat.
Variante 4 Kropp, Hess et al, Session 2.08,
Berliner Energietage 2021
Heiz, WP Heiz, HS TWW, WP TWW, HS JAZGesamt
JAZGesamt JAZHeiz
JAZ (Heiz) JAZ TWW
(TWW)
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 29Agenda
Nachhaltige Gebäude und Klimaziele
Forschung am Fraunhofer ISE und bei Uni Freiburg
Projektbeispiel: LowEx-Bestand
Selektiver Heizkörpertausch
Frischwasserstation und Ultrafiltration
Studie: Wärmepumpe vs. Gaskessel
Fazit
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 30Techno-ökonomischer und ökologischer Vergleich
Referenzgebäude
Baualtersperiode 1958 – 1978
Größter Anteil am MFH-Bestand
Häufiger Sanierungsfall
Oft gutes Kosten/Nutzen-Verhältnis
Parameter:
581 m2 Wohnfläche (9 Whg.), Potsdam
Bedarf Raumheizung:
Unsaniert: 222 kWh/(m²*a)
Saniert ~GEG: 66 kWh/(m²*a)
LowEx-Bestand Referenzgebäude für mittelgroßes MFH
Bedarf Trinkwarmwasser: 20 kWh/(m²*a) www.lowex-bestand.de
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 31Techno-Ökonomischer und ökologischer Vergleich
Systemvarianten: Monovalent (Gaskessel), Bivalent (WP + Gas) und Monoenergetisch (WP + el. Heizst.)
Verbraucher
Radiatoren 45/38°C
Speicher TWW 66°C (laden)
Erzeuger
Kessel 24 kW (Referenz)
Luft-WP 64 °C (TVL,max) COPA2/W35 = 3,9
Bivalent alt. 8,4 kW (A2/W35)
+ Boiler 24 kW
Monoenerg. 21 kW (A2/W35)
+ el. heater 11 kW
Bivalentes Wärmepumpen (WP) - System mit Gaskessel,
zentraler Frischwasser-Station (FWS) und Radiatoren (Rad)
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 32Techno-Ökonomischer und ökologischer Vergleich
Berechnungstool
Wärmepumpenmodell: Kennlinienbasiert
Heizwärmebedarf: Zeitreihe aus TRNBuild
TWW: Zeitreihe aus SynPRO
Energetischer Vergleich folgender Varianten: Heizlast TWW-Profil
Monovalent (Gaskessel)
Mono-energetisch (WP + Heizstab)
Bivalent (WP + Gaskessel), Python Tool
optimiert nach
Energie-Bezugskosten
CO2 -Emissionen
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 33Monovalentes System
Gaskessel
25
Norm-Außentemperatur
Gaskessel
Q_Kessel_HC Potsdam: -14 °C
20
kW
Q_th ininkW
15 Norm-Heizlast
saniert: 21 kW
Heizleistung
10
Heizgrenze: 12 °C
5
im 3-Tages-Mittel
0
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
T_AUL
Temperatur in °C in °C
Außenluft
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 34Mono-energetisches System
Luft-Wärmepumpe mit Heizstab (parallel)
25
Q_Kessel_HC bivalent-paralleler Betrieb
Heizstab
unterhalb Bivalenz-
20 Luft-Wärmepumpe Temperatur (-5 °C)
Q_LWP_mono
Q_LWP_mono_HC
kW
Q_th ininkW
15
Heizleistung
10
Deckungsgrad WP
Heizung + TWW: 95,4 %
5
Jahres-Arbeitszahl
Heizung + TWW: 3,29
0
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
T_AUL
Temperatur in °C in °C
Außenluft
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 35Mono-energetisches System
Luft-Wärmepumpe mit Heizstab (parallel)
25
Q_Kessel_HC Vergleich Mono-WP vs. Kessel
Heizstab
20 CO2,eq Emissionen:
Luft-Wärmepumpe
Q_LWP_mono
Q_LWP_mono_HC
2020: -37 %
kW
Q_th ininkW
15 2040: -81 %
Heizleistung
10
5
Jahr Netzstrom Gas* Verhältnis
0 [g/kWh] [g/kWh] [-]
2020 403 223 1,8
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
2040 107 194 0,6
T_AUL
Temperatur in °C in °C
Außenluft * mit PtG
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 36Mono-energetisches System
Luft-Wärmepumpe mit Heizstab (parallel)
25
Q_Kessel_HC Vergleich Mono-WP vs. Kessel
Heizstab
20 CO2,eq Emissionen
Luft-Wärmepumpe
Q_LWP_mono
Q_LWP_mono_HC
2020: -37 %
kW
Q_th ininkW
15 2040: -81 %
Heizleistung
Energie-Bezugskosten
10 2020: +11 %
2040: -34 %
5
Jahr Netzstrom* Gas Verhältnis
0 [ct/kWh] [ct/kWh] [-]
2020 22,5 6,4 3,5
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
2040 20,4 9,7 2,1
T_AUL
Temperatur in °C in °C
Außenluft * WP-Tarif
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 37Bivalent-Teilparalleles System
Wärmpumpe (Luft) mit Gaskessel – optimiert nach Energie-Bezugskosten (2020)
25
Q_Kessel
Q_ Kessel
Q_Kessel_HC Energiepreis-Kriterium führt
Gaskessel
Q_LWP_mono zu WP-Abschaltung für
20 Luft-Wärmepumpe Raumwärme bei
Q_LWP_mono
Q_LWP_biv
Q_LWP_biv_HC
Temperaturen unter -2°C
kW
Q_th ininkW
15 (Jahr 2020)
Heizleistung
10 Deckungsgrad WP
Heizung + TWW: 54,6 %
5
Jahres-Arbeitszahl
0 Heizung + TWW: 4,02
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
T_AUL
Temperatur in °C in °C
Außenluft
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 38Bivalent-Teilparalleles System
Wärmpumpe (Luft) mit Gaskessel – optimiert nach Energie-Bezugskosten (2040)
Q_Kessel
Q_ Kessel Energiepreis-Kriterium führt
Gaskessel
Q_LWP_mono zu keiner WP-Abschaltung
Luft-Wärmepumpe
Q_LWP_mono
Q_LWP_biv mehr (Jahr 2040)
Heizleistung in kW
Deckungsgrad WP
Heizung + TWW: 72 %
Jahresarbeitszahl
Heizung + TWW: 3,57
Temperatur Außenluft in °C
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 39Bivalent-Teilparalleles System
Wärmpumpe (Luft) mit Gaskessel – optimiert nach Energie-Bezugskosten (2020 vs. 2040)
Q_Kessel
Q_ Kessel Vergleich Biv.-WP vs. Gaskessel
Gaskessel
Q_LWP_mono CO2,eq Emissionen
Luft-Wärmepumpe
Q_LWP_mono
Q_LWP_biv
2020: -28 %
Heizleistung in kW
2040: -60 %
Energie-Bezugskosten
2020: -9 %
2040: -32 %
Temperatur Außenluft in °C
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 40Perspektive bis 2040
Systemvergleich ohne Förderung
CO2,e in kg / (m2*a) WP + WP
Kessel
Kessel Mono
2020 Gaskessel
Kessel Investition [€] 10.204 20.938 19.203
20
2025 2030
Wärmegestehungs-
11,1 11,9 12
2040 kosten[ct/kWh]
16 Emissionen 9,4 6,7
17,3
kumuliert [kg/(m2*a)] (-46 %) (-61 %)
2020
2025 2020
12 Systemvergleich für LowEx-Bestand
WPWPmono-
Mono- WP
WP ++Kessel
Kessel Referenzgebäude saniert nach GEG
energetisch
energetisch 2025 2030 bivalent
bivalent
8 Systeme: Gas-Brennwertkessel, Luft-WP mono-
energetisch mit Heizstab, Luft-WP bivalent
2030 teilparallel mit Kessel (Betriebsoptimierung jährlich
2040
nach Energie-Bezugskosten). Auslegung: Höchster
4 Barwert mit Zinssatz 7,5%, Energie-Bezugskosten
2040 und Emissionsfaktoren vgl. vorherige Folien,
weitere Parameter u. Förderung vgl. Anhang)
0
7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 * Abb. zeigt jährliche Energie-Bezugskosten
(inflationsbereinigt, nicht diskontiert) plus Annuität
für Wärme
Kosten*für
Kosten* Wärme in
in €EUR
/ (m2/*a)
(m2*a) von Investitions- und Wartungskosten
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 41Perspektive bis 2040
Systemvergleich mit BAFA-Förderung
CO2,e in kg / (m2*a) WP + WP
Kessel
Kessel Mono
2020 Gaskessel
Kessel Investition [€] 10.204 14.657 12.482
20
2025 2030
Wärmegestehungs-
11,1 10,7 10,7
2040 kosten[ct/kWh]
16 Emissionen 9,4 6,7
17,3
kumuliert [kg/(m2*a)] (-46 %) (-61 %)
2020
2025 2020
12 Systemvergleich für LowEx-Bestand
WP
WP mono-
Mono- WP
WP ++Kessel
Kessel Referenzgebäude saniert nach GEG.
energetisch
energetisch 2025 2030 bivalent
bivalent
8 Systeme: Gas-Brennwertkessel, Luft-WP mono-
energetisch mit Heizstab, Luft-WP bivalent
2030 teilparallel mit Kessel (Betriebsoptimierung jährlich
2040
nach Energie-Bezugskosten). Auslegung: Höchster
4 Barwert mit Zinssatz 7,5%, Energie-Bezugskosten
2040 und Emissionsfaktoren vgl. vorherige Folien,
weitere Parameter u. Förderung vgl. Anhang)
0
7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 * Abb. zeigt jährliche Energie-Bezugskosten
(inflationsbereinigt, nicht diskontiert) plus Annuität
für Wärme
Kosten*für
Kosten* Wärme in
in €EUR
/ (m2/*a)
(m2*a) von Investitions- und Wartungskosten
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 42Agenda
Nachhaltige Gebäude und Klimaziele
Forschung am Fraunhofer ISE und bei Uni Freiburg
Projektbeispiel: LowEx-Bestand
Selektiver Heizkörpertausch
Frischwasserstation und Ultrafiltration
Studie: Wärmepumpe vs. Gaskessel
Fazit
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 43Fazit
Neubau
Wärmepumpen gut geeignet; auf niedrige Temperaturen achten
Bestandsgebäude: Unsaniert
Mono-energetische WP nicht empfohlen
WP-Systeme mit Gaskessel möglich,
falls WP auf Energiebedarf nach Sanierung ausgelegt wird
Bestandsgebäude: Sanierung von Gebäudehülle und Wärmeerzeugung
WP bieten hohe CO2,e-Einsparung; Temperatur-Absenkung wichtig
Mono-energetische WP-Systeme können vergleichbare Wärmegestehungs-
kosten wie Gaskessel oder kombinierte Gaskessel-WP-Systeme erreichen
(über die Lebenszeit und unter vorteilhaften Rahmenbedingungen)
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 44Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr. Stefan Hess
stefan.hess@inatech.uni-freiburg.de
www.inatech.de
Beiträge von:
Andreas Wagner, Bernd Ebert, Fritz Braeuer,
Constanze Bongs, Jeannette Wapler, Manuel
Lämmle, Martin Kleinstück, Felix Ohr, Danny
Günther, Marek Miara, Michael Kropp, Raphael
Vollmer, Beatrice Rodenbücher, Rebekka Eberle,
Katrin Scharf, Hans-Martin Henning
www.lowex-bestand.de FKZ: 03SBE0001
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im BestandPerspektive bis 2040
Parameter und Ergebnisse Systemvergleich (Kosten: BKI-Datenbank incl. Montage, brutto)
War-
Einheit Ohne Investitions-Zuschuss Mit Investitions-Zuschuss
tung
Gaskessel WP + Gaskessel WP Mono Gaskessel WP + Gaskessel WP Mono
% p.a.
System System System System System System
Förderung BAFA % - - - 0 30 35
20.938 19.203 14.657 12.482
Investition EUR 10.204 10.204
(+Restwert WP) (+Restwert WP) (+Restwert WP) (+Restwert WP)
Kessel 7.334 (24 kW) 7.334 (24 kW) - 7.334 (24 kW) 5.134 (24 kW) - 2,8
Wärmepumpe - 10.117 (8,4 kW) 13.974 - 7.082 (8,4 kW) 9.083 (20,9 kW) 2,5
TWW-Speicher 2.870 (400 l) 2.870 (400 l) 2.870 (400 l) 2.870 (400 l) 2.009 (400 l) 1.866 (400 l) 1
Heizungsspeicher - 1.094 (200 l) 1.785 (420 l) - 766 (200 l) 1.160 (420 l) 1
Heizstab - - 1.233 (11,3 kW) - - 801 (11,3 kW) 1
Annuität EUR / a -5.524 -5.968 -5.994 -5.524 -5.352 -5.335
Anteil Invest % 18 34 31 18 27 23
Wärmegesteh-
ct /kWh 11,1 11,9 12 11,1 10,7 10,7
ungskosten
Emissionen 9,4 6,7 9,4 6,7
kg / (m2*a) 17,3 17,3
kumuliert (-46 %) (-61 %) (-46 %) (-61 %)
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 46Perspective until 2040
Literature Sources for CO2,e Emission Factors und Energy Procurement Costs
CO2,eq CO2,eq HP CO2 -Price Gas price
Emissions Emissions Year Electricity (COP 1) with CO2-price
Year Electricity Gas with PtG*
[ct/kWh] [€/t] [ct/kWh]
[g/kWh] [g/kWh]
2020 22,50 0 6,36
2020 402,90 222,9
2030 193,00 204,2 2030 21,60 80 8,48
2040 107,05 194,4 2040 20,44 130 9,72
2050 21,10 184,7 2050 19,28 180 10,86
*PtG = Power to Gas, Reference: Lower heating value
Electricity price E.ON, RWTH, ewi (2019) with HP-tariff 75 % of
CO2,e-Emissions grid electrictiy from IINAS (KS 95), 2019: household electricity costs (Bundesnetzagentur).
Fritsche et. al. (2019): Der nichterneuerbare kumulierte E.ON, RWTH, ewi (2019): Auswirkungen von CO2-Preisen auf den
Energieverbrauch und THG-Emissionen des deutschen Strommix im Gebäude-, Verkehrs- und Energiesektor. Online verfügbar.
Jahr 2018 sowie Ausblicke auf 2020 bis 2050. Kurzstudie. Darmstadt. Bundesnetzagentur (2020): Monitoringbericht 2019. Online verfügbar.
CO2,e-Emissions Gas from IINAS/GEMIS 5.0, 2018: Gas price EU Reference Scenario (2016):
GEMIS (Globales Emissions-Modell integrierter Systeme). Version 5.0. Capros, P. et al. (2016): EU Reference Scenario 2016. Energy,
Hg. v. IINAS - Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und - transport and GHG emissions, Trends to 2050. Hg. v. European
strategien. Online verfügbar unter http://iinas.org/gemis-de.html. Comission. Luxembourg. Online verfügbar.
Freiburger Wissenschaftsmarkt: Wärmepumpen im Bestand 47Sie können auch lesen
