Wie effizient arbeiten Wärmepumpen tatsächlich?

Laufen Wärmepumpen effizient genug? Dieser Frage ging ein Forschungsteam der ETH Zürich in der bisher grössten Feldstudie zu diesem Thema auf den Grund. Dabei zeigte sich: Im Betrieb sind die Anlagen oft nicht optimal konfiguriert. Abhilfe schaffen könnten laut Studie Kontrollsysteme und rechtliche Standards.

Quelle: ChatGPT, Sora / mai

Monteur bei der Arbeit.

Wärmepumpen sind in der Schweiz aktuell die gefragteste Wärmequelle. Seit dem Jahr 2000 hat sich ihre Anzahl vervielfacht und jedes fünfte Gebäude wird mittlerweile mit einer beheizt. Die Anlagen leisten einen bedeutenden Beitrag zum gesamtgesellschaftlichen Netto-Null-Ziel. Sie erhöhen aber auch den Strombedarf. Entsprechend wichtig ist ihr effizienter Betrieb. Ob die Anlagen richtig eingestellt sind, ist für die meisten Besitzer oft nicht ersichtlich. Das Vertrauen und die Akzeptanz für den Einsatz der klimafreundlichen Technologie hängt aber von ihrer Effizienz ab, da sie sich unmittelbar in den Stromkosten widerspiegelt.

In der bisher grössten Feldstudie haben Forschende der ETH Zürich den effizienten Betrieb von Wärmepumpen untersucht. Zwei Jahre lang haben sie die Daten von 1023 Anlagen in zehn europäischen Ländern, darunter Deutschland, Österreich, Niederlande, Schweden, Dänemark, Frankreich und Grossbritannien in Echtzeit ausgelesen. Ziel der Studie war es, ein System zu entwickeln, um die Anlagen standardisiert miteinander zu vergleichen, obwohl sie in unterschiedlichen Gebäuden installiert sind. Zwar waren die Daten nur von einem Hersteller zugänglich, die Autoren der Studie gehen aber von einer Übertragbarkeit aus. «Unsere Ergebnisse können allgemein ausgelegt werden, weil die erhobenen Daten und Algorithmen ausschliesslich auf physikalischen Messwerten wie der Vorlauftemperatur oder dem Energieverbrauch basieren», sagt Tobias Brudermüller, einer der Hauptautoren.

Jede zehnte Anlage überdimensioniert

Während des Beobachtungszeitraums zeigten sich erhebliche Leistungsunterschiede. Die Anlagen mit dem niedrigsten Wirkungsgrad lagen zum Teil um das Zwei- bis Dreifache unter denjenigen mit dem höchsten Wirkungsgrad. Siebzehn Prozent der Luftwärmepumpen unterschritten sogar die europäischen Effizienzstandards. Durch eine Optimierung der Heizkurveneinstellung liesse sich dieses Problem für viele Anlagen lösen. Darüber hinaus zeigten das ETH-Team in seiner Studie, dass jede zehnte Anlage überdimensioniert war. Für die vorherrschenden Gebäudebedingungen hätte auch eine leistungsschwächere Anlage gereicht, die weniger Strom verbraucht hätte. Immerhin waren nur ein Prozent unterdimensioniert, was zur Folge haben kann, dass die Anlagen überlastet werden und schneller kaputtgehen. «Auch wenn uns bekannt war, dass fehlerhafte Planungen und Einstellungen bei Wärmepumpen keine Seltenheit sind, hat uns überrascht, wie stark sich dies im tatsächlich erzielten Effizienzniveau widerspiegelt und wie klar das in den Daten sichtbar wird», sagt Thorsten Staake, Co-Leiter des Bits to Energy Labs der ETH Zürich.

Quelle: ChatGPT, Sora / mai

Perfekte Temperatur, wenn die Wärmepumpe effizient läuft und es draussen kalt ist.

Bereits 2023 hat Tobias Brudermüller in Zusammenarbeit mit Industriepartnern, dem Bundesamt für Energie und den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich (EKZ) ähnliche Studien in der Schweiz durchgeführt. Grundlage bildeten dabei Stromverbrauchsdaten von Schweizer Haushalten, die mit Smart Metern ausgestattet waren und mit Künstlicher Intelligenz ausgewertet wurden. Hierbei zeigte sich, dass bei 41 Prozent der 410 untersuchten Anlagen die Heizkurve zu hoch eingestellt war und die Wärmepumpen einen unnötig hohen Temperaturhub erzeugen mussten. In 36 Prozent der Fälle war die Nachtabsenkung aktiviert, was zur Abkühlung der Gebäude und einem höheren Nachheizen führte. In 26 Prozent der Fälle war die Heizgrenze zu hoch angesetzt, sodass die Anlagen länger in Betrieb waren als es angesichts der Aussentemperatur erforderlich war.

Algorithmen und standordisierte Überwachung

Um die Effizienz über den gesamten Lebenszyklus sicherzustellen, schlagen die Autoren der Studie vor, die Überwachung der Anlagen europaweit zu standardisieren. «Noch fehlen aber die Rahmenbedingungen für technische Standards, die der Vielfalt realer Gebäudesituationen gerecht werden», sagt Brudermüller. Mit der Entwicklung ihrer Algorithmen wollen sie Haushalte gezielt über das Optimierungspotenzial von Wärmepumpen informieren. Dabei eröffnen vor allem Sensordaten internetfähiger Heizgeräte und Smart Meter neue Möglichkeiten. «Sie helfen den Besitzern, ihre Anlagen besser kennenzulernen, die Stromkosten zu senken und die Zufriedenheit mit den Anlagen zu steigern. Das führt dazu, dass sie sich schneller durchsetzen und die Klimaziele erreicht werden können», sagt Brudermüller. Elgar Fleisch fügt hinzu: «Wärmepumpen sind bereits eine fortschrittliche Technologie für klimafreundliches Heizen. Der nächste Schritt besteht darin, ihren Betrieb noch intelligenter und effizienter zu gestalten. Unsere Feldstudien schaffen die Grundlage dafür, dass dieser Fortschritt schnell in den Haushalten ankommt und sich direkt in sinkenden Stromkosten bemerkbar macht.» (Walter Schmid, Hochschulkommunikation, ETH)

*Der Artikel erschien zuerst in Newsportal der ETH: ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen