2.08 Wärmepumpen-Effizienz in Mehrfamilienhäusern Trinkwasser-Systeme mit Wärmepumpe: Vergleich von Energiebedarf und Performance

2.08 Wärmepumpen-Effizienz in Mehrfamilienhäusern – Trinkwasser-Systeme mit Wärmepumpe:

Vergleich von Energiebedarf und Performance

Michael Kropp, Oliver Hörnle, Stefan Hess Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Jeannette Wapler, Manuel Lämmle Fraunhofer ISE

Berliner Energietage 2021 23. April 2021, online

Agenda



Motivation



Beispielgebäude und Systemvarianten



Simulationsergebnisse



Fazit und Ausblick

Trinkwasser-Erwärmung im Mehrfamilienhausbestand

 Bedarf an Trinkwarmwasser (TWW) durch Verbraucher vorgegeben

 Anteil der Trinkwasser-Erwärmung (TWE) am Gesamtbedarf steigt durch Hüll-Sanierung

 Perspektivisch: Deckung durch Erneuerbare Energien, z.B. mit Wärmepumpen (WP)

 Aber: hohes Temperaturniveau (gesetzliche Hygieneanforderungen) hemmen den Einsatz von WP

 Potential weiterer Energieeinsparung durch Optimierung der Trinkwassererwärmung

Quelle: Ruehling, K., et al. (2018b): En Eff: Wärme – Verbundvorhaben Energieeffizienz und Hygiene in der Trinkwasser-Installation. Koordinierter

Schlussbericht EE+HYG@TWI.

Agenda



Motivation



Beispielgebäude und Systemvarianten



Simulationsergebnisse



Fazit und Ausblick

Beispielgebäude

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)

 Heizlast nach DIN EN 12831: 66 kW

 Rechnerische Leistung zur TWE: 8 kW

Hauseingang A

Zum Hauseingang B, C

TWE

Hauseingang A

Zum Hauseingang B, C

16.04

11.88

Heizungsraum

Systemvarianten Trinkwasser-Erwärmung

Referenzvariante: indirekt beheizter TWW-Speicher

Radiator

↯

Variante 1: TWW-Speicher

↯

Raumheizung (in allen Varianten gleich)

↯ ^Heizstab

Luft/Wasser-

Wärmepumpe TWK

TWW

TWW-Z Wärmeerzeuger

 Monoenergetisches WP-System:

 Auslegungs-Bivalenzpunkt: -5 °C

 Auslegungs-Heizleistung (WP): 55 kW

 max. VL-Temp. der WP: 65 °C

 Raumheizung:

 Auslegung: 55 °C / 45 °C / 20 °C bei -12 °C

 VL-Temperatur-Regelung über Heizkurve

 Trinkwasser-Erwärmung:

 Anteil am Wärmeverbrauch (gemessen):

32 kWh/(m²a); ca. 1/3 des Wärmebedarfs

TWK: Trinkwasser kalt TWW: Trinkwasser warm TWW-Z: Zirkulation

65 °C 55 °C

45 °C

55 °C

45 °C

60 °C

14 °C 55 °C

↯

Raumheizung(in allen Varianten gleich)

Wärmeerzeuger

Radiator

↯

Variante 1: TWW-Speicher

↯

↯ ^Heizstab

Luft/Wasser-

Wärmepumpe TWK

TWW

TWW-Z

Variante 2: FriWa zentr.

↯

TWW

TWK TWW-Z

Variante 4: Whg.-Stat.

↯

TWW

TWW

TWW

TWW

TWK

Variante 3: FriWa + UFM

↯

TWW

TWK TWW-Z

UFM 65 °C

55 °C

45 °C

55 °C

45 °C

60 °C

14 °C

55 °C 55 °C

65 °C

55 °C

70 °C 60 °C

14 °C 55 °C

14 °C 45 °C 50 °C

55 °C

55 °C

50 °C 14 °C 45 °C

45 °C 45 °C

45 °C

Systemvarianten Trinkwasser-Erwärmung

Variante 2: Zentrale Frischwasserstation (FriWa zentr.)

TWK: Trinkwasser kalt TWW: Trinkwasser warm TWW-Z: Zirkulation

Raumheizung(in allen Varianten gleich)

Wärmeerzeuger

Radiator

↯

Variante 1: TWW-Speicher

↯

↯ ^Heizstab

Luft/Wasser-

Wärmepumpe TWK

TWW

TWW-Z

Variante 2: FriWa zentr.

↯

TWW

TWK TWW-Z

Variante 4: Whg.-Stat.

↯

TWW

TWW

TWW

TWW

TWK

Variante 3: FriWa + UFM

↯

TWW

TWK TWW-Z

UFM 65 °C

55 °C

45 °C

55 °C

45 °C

60 °C

14 °C

55 °C 55 °C

65 °C

55 °C

70 °C 60 °C

14 °C 55 °C

14 °C 45 °C 50 °C

55 °C

55 °C

50 °C 14 °C 45 °C

45 °C 45 °C

45 °C

Systemvarianten Trinkwasser-Erwärmung

Variante 3: Zentrale Frischwasserstation mit Ultrafiltrationsmodul (FriWa + UFM)

TWK: Trinkwasser kalt TWW: Trinkwasser warm TWW-Z: Zirkulation

Raumheizung(in allen Varianten gleich)

Wärmeerzeuger

Radiator

↯

Variante 1: TWW-Speicher

↯

↯ ^Heizstab

Luft/Wasser-

Wärmepumpe TWK

TWW

TWW-Z

Variante 2: FriWa zentr.

↯

TWW

TWK TWW-Z

Variante 4: Whg.-Stat.

↯

TWW

TWW

TWW

TWW

TWK

Variante 3: FriWa + UFM

↯

TWW

TWK TWW-Z

UFM 65 °C

55 °C

45 °C

55 °C

45 °C

60 °C

14 °C

55 °C 55 °C

65 °C

55 °C

70 °C 60 °C

14 °C 55 °C

14 °C 45 °C 50 °C

55 °C

55 °C

50 °C 14 °C 45 °C

45 °C 45 °C

45 °C

Systemvarianten Trinkwasser-Erwärmung

Variante 4: Dezentrale Wohnungsstationen (Whg.-Stat.)

TWK: Trinkwasser kalt TWW: Trinkwasser warm TWW-Z: Zirkulation

Agenda



Motivation



Beispielgebäude und Systemvarianten



Simulationsergebnisse



Fazit und Ausblick

3%

​

38%

​

37%

​-3%

​

21%

​

20%

0 5 10 15 20 25 30 35

Q_Verl Q_End Q_Verl Q_End Q_Verl Q_End Q_Verl Q_End

Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4

Energie [MWh/a]

Speicherverluste nicht nutzbare Verteilverluste teilw. nutzbare Verteilverluste

Wärmepumpe Heizstab Pumpen

Q_Verlust E_End Q_Verlust E_End Q_Verlust E_End Q_Verlust E_End

Verluste und Endenergieverbrauch zur TWE

TWW-Speicher FriWa zentr. FriWa + UFM Whg.-Stat.

Zapfenergiebedarf: ca. 45 MWh/a Nicht nutzbare Verteilverluste:

im unbeheizten Keller

Teilw. nutzbare Verteilverluste:

in Steigleitungen

JAZ_TWW: 2,0 JAZ_TWW: 2,2 JAZ_TWW: 3,2 JAZ_TWW: 3,2

Anteil Heizstab an TWE:

 TWW-Speicher: 22 % (davon 60 %

Legionellenschaltung)

 FriWa zentr.: 14 %

 FriWa + UFM: < 1 %

 Whg.-Stat.: < 1 %

JAZ = Q_WP + Q_Heizstab E_WP + E_Heizstab

24%

​

55%

​

54%

​-3%

​

22%

​

19%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Q_Verl Q_End Q_Verl Q_End Q_Verl Q_End Q_Verl Q_End

Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4

Energie [MWh/a]

Speicherverluste nicht nutzbare Verteilverluste teilw. nutzbare Verteilverluste

Wärmepumpe Heizstab Pumpen

UFM

Q_Verlust E_End Q_Verlust E_End Q_Verlust E_End Q_Verlust E_End

-1% 2% 2%

2,2% 18% 18%

2,8 2,9

3,3 3,3

3,4 3,4 3,4 3,4

2,0 2,2

3,2 3,2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

0 50 100 150 200

Wärme Strom Wärme Strom Wärme Strom Wärme Strom

Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4

JAZ [-]

bereitgestellte Wärmemenge [MWh/a]; Strombezug [MWh/a]

Heiz, WP Heiz, HS TWW, WP TWW, HS JAZGesamtJAZ_Gesamt JAZ (Heiz)JAZ_Heiz JAZ (TWW)JAZ_TWW

Gesamtsystemvergleich

Anteil Heizstab an TWE:

 TWW-Speicher: 22 % (davon 60 %

Legionellenschaltung)

 FriWa zentr.: 14 %

 FriWa + UFM: < 1 %

 Whg.-Stat.: < 1 %

JAZ = Q_WP + Q_Heizstab E_WP + E_Heizstab

Zapfenergie ca. 45 MWh/a

TWW-Speicher FriWa zentr. FriWa + UFM Whg.-Stat.

Agenda



Motivation



Beispielgebäude und Systemvarianten



Simulationsergebnisse



Fazit und Ausblick

Zusammenfassung Simulationsstudie



Einsatz einer zentralen Frischwasserstation ggü. TW-Speicher mit internem WÜ

 Leichte Steigerung der JAZ zur TWE (WP + Heizstab) von 2,0 auf 2,2

 Anteil Heizstab sinkt von 22 % auf 14 %, Verluste nehmen leicht zu

 Einschränkung: Im Beispiel nur einstufige FriWa betrachtet



Absenkung der Temperatur im TW-Verteilsystem von 60 °C auf 50 °C (durch Einsatz Ultra-Filtration bzw. dezentraler Frischwasserstationen)

 Steigerung der JAZ zur TWE auf etwa 3,2

 Verringerung des Stromverbrauchs zur TWE um 38 %



Performance des Gesamtsystems

 JAZ Gesamt kann von 2,8 auf 3,3 gesteigert werden

 Verringerung des Stromverbrauchs um etwa 18 %

Fazit und Ausblick



Fazit

 Beispiel repräsentativ für hohen Anteil des MFH-Bestandes in Deutschland

 Signifikante Einsparungen durch LowEx-Maßnahmen in TWE möglich

 Ergebnisse stark von Regelung, Auslegung und Anteil TWE abhängig

 FriWa + UFM: V.a. zu Beginn aufwendige hygienisch-mikrobielle Untersuchungskampagne

 Whg.-Stat.: Erhöhter Aufwand und höhere Investitionskosten bei Nachrüstung



Ausblick

 Optimierung der Auslegung, der verwendeten Komponenten und der Regelung

 Vergleich anhand von Vollkosten (Invest- und Betriebskosten)

Michael Kropp

michael.kropp@inatech.uni-freiburg.de www.inatech.de

Mitarbeit:

Oliver Hörnle, Jeannette Wapler, Manuel Lämmle, Constanze Bongs, Stefan Hess

www.lowex-bestand.de

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

FKZ: 03SBE0001