IEA Heat Pumping Technologies Magazine Vol. 42, No. 3/2024

Die zwei Schwerpunktartikel fokussieren auf 

1. Beschleunigung der Einführung von Wärmepumpen mit Hilfe von Lessons-Learned aus archetypischen, ergebnisorientierten Nachrüstungslösungen und
2. Vorstellung eines web-basierten Tools, das in einer frühen Phase Unterstützung bei der Entscheidung hinsichtlich der am besten geeigneten Wärmepumpenlösung for Nicht-Wohngebäude liefert.

Vorwort: Das Nachrüsten mit Wärmepumpen vorantreiben: Was müssen wir tun?

Dr. Peter Mallaburn, Energy Institute, University College London & Operating Agent des IEA HPT TCP Annex 60 Projekt

Der Autor geht im Artikel der Frage nach, warum es bei der Nachrüstung von Wärmepumpen im Gebäudesektor eine große Diskrepanz zwischen Anspruch (Notwendigkeit) und Realität (geringe jährliche Installationsraten von Wärmepumpen) gibt. Als Hauptursache nennt er die technische Komplexität der Nachrüstung von HLK-Systemen, die nicht allein durch finanzielle Förderungen überwunden werden, kann. Dr. Mallaburn plädiert für einen nachfrageorientierten Ansatz, der auf unterschiedliche Bedürfnisse der Marktakteure eingeht. Leicht umsetzbare Projekte sollten priorisiert werden, um Erfolge zu erzielen und Vertrauen aufzubauen. Dies könne die Entwicklung des Marktes beschleunigen, sodass Hersteller auch ohne staatliche Subventionen agieren und den Markt erschließen können. Abschließend verweist der Autor auf das HPT TCP Annex 60 Projekt, das diesen Ansatz auf Nicht-Wohngebäude überträgt und mit einer Web-Applikation Gebäudeeigentümern bei der Auswahl passender Systeme hilft.

Kolumne: Überblick über Barrieren, die eine breite Marktdurchdringung von Wärmepumpen behindern

Frédéric Genest, Research Engineer und Technical Advisor, CanmetENERGY, Natural Resources, Kanada

Der Autor beleuchtet in seiner Kolumne verschiedene Hindernisse, die einer breiten Marktdurchdringung von Wärmepumpen bislang entgegenstanden und teils noch entgegenstehen. So stellen Investitionskosten, vor allem solche Erdgekoppelter Wärmepumpensysteme mit Bedarf nach vertikalen Bohrlöchern, eine signifikante Barriere dar. Gemäß dem Autor sind „Standing Column Well" Systeme eine kostengünstigere, technologische Alternative speziell für dichter bebaute, städtische Gebiete. Als weitere Barriere, die jedoch durch die zunehmende Einführung sog. Cold-Climate Wärmepumpen an Bedeutung verliert, nennt er die geringe Effizienz luftbasierter Wärmepumpensysteme in kalten Klimata. Eine weitere Einschränkung im Retrofit-Segment ergibt sich aus dem Bedarf nach hohen Vorlauftemperaturen von etwa 60-80°C an. Die Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmepumpen, der Einsatz von HFOs und natürlichen Kältemitteln sowie die direkte Integration der Wärmepumpe in bestehende Hydronik-Systeme ermöglichen jedoch eine einfachere Nachrüstung in Bestandsgebäuden. An weiterhin bestehenden Hindernissen identifiziert der Autor fehlendes Wissen über die aktuell verfügbare Palette an Wärmepumpen-Produkten sowie neue potentielle Anwendungen. Um diese Barrieren zu reduzieren, werden die Verbreitung technischer Anleitungen, Schulungen hinsichtlich Auswahl, Design und Betrieb der Wärmepumpensysteme, die Durchführung von Demonstrationsprojekten und die Veröffentlichung von Fallstudien als wichtige Maßnahmen hervorgehoben.

Schwerpunktartikel: Beschleunigung der Einführung von Wärmepumpen mit Erfahrungen aus archetypischen, ergebnisorientierten Lösungen zur Nachrüstung

Jon Warren, Head of Innovation and Policy, Energiesprong UK

J. Warren beschreibt im Artikel die größten Herausforderungen bei der Implementierung von Wärmepumpen speziell im Sanierungssegment und präsentiert erste Ergebnisse bezüglich der Entwicklung eines systematischen Ansatzes zu deren Bewältigung. Konkret handelt sich dabei um ein integriertes Konzept, das auch Wärmepumpen inkludiert, für bestimmte Häusertypen maßgeschneidert ist, und laufende Überwachung (inkl. Leistungsgarantie) beinhaltet, um Investoren die notwendige Sicherheit für die Vergabe besserer Finanzierungskonditionen zu bieten.

Der Autor beschreibt Gemeinsamkeiten und Unterschiede archetypischer Bestandsgebäude und deren Relevanz in Bezug auf eine umfassende Gebäudesanierung, und präsentiert eine Übersicht über Erfahrungen aus dem Monitoring von mehr als 200 renovierten Gebäuden sowie die im Rahmen eines kofinanzierten Projekts entwickelten Lösungspakete. Abschließend berichtet er kurz über das britische Transform-ER Projekt, das auf dem entwickelten Konzept basiert, dieses weiterentwickelt und in dessen Rahmen eine neue Datenplattform aufgebaut wird, um zukünftig Netto-Null-Pfade für Immobilien erstellen zu können, indem die besten Lösungen für verschiedene Archetypen analysiert und eine vorqualifizierte Pipeline bereitstellt wird.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter nachfolgendem Link: Speeding Up the Roll-Out of Heat Pumps With Lessons from Archetypal Outcome-Led Packaged Retrofit Solutions

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

• UK Government 2023, "Research briefing on heat pumps", accessed on 24.10.24.
• Carbon Brief, "Analysis: Surge in heat pumps and solar drives record for UK homes in 2023", accessed on 24.10.24.
• EoH Interim Heat Pump Performance Data Analysis Report, accessed on 24.10.24

Schwerpunktartikel: Guidance zur Nachrüstung von Nichtwohngebäuden mit Wärmepumpen in einer frühen Phase: Zwischenergebnisse aus dem HPT-Annex 60

Roger Hitchin, Stellvertretender Delegierter, UK

Der Autor präsentiert im Artikel Ergebnisse des HPT-Annex 60 zur Nachrüstung von Wärmepumpen-Systemen in Nicht-Wohngebäuden. Er stellt den Aufbau und die Funktionsweise eines interaktiven Web-Tools vor, welches aktuell über 27 mögliche Wärmepumpen-Konfigurationen auf Basis von Gebäudevorgaben und Prioritäten verfügt, um Entscheidungsträger bei der Entscheidungsfindung zu unterstützen. Das Tool verbindet die Nutzer zudem mit über 100 Fallstudien und Systembeschreibungen, damit diese in einer Situation spärlicher Daten und sich entwickelnder Marktbedingungen fundierte Entscheidungen hinsichtlich des Einsatzes von Wärmepumpen in Nicht-Wohngebäuden treffen können.

Konkret soll das Tool den Nutzern in einem frühen Stadium eine Orientierungshilfe bieten, indem es anhand ihrer Antworten auf Fragen Optionen herausfiltert, die gravierende Einschränkungen aufweisen oder nicht den Prioritäten bzw. Anliegen entsprechen. Auf diese Weise bleibt eine „kurze Liste" von Optionen übrig, auf die sich dann der Nutzer im Rahmen einer detaillierteren Bewertung konzentrieren kann.

Das Tool ist noch in Entwicklung befindlich. Neben der Reihung von Resultaten braucht es noch Entscheidungen bezüglich der grafischen Darstellung der Ergebnisse sowie weiterer Fragestellungen wie bspw. der Integration Länder- bzw. Geografischer Rahmenbedingungen.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter nachfolgendem Link: Early-stage Guidance on Heat Pump Retrofit for Non-Domestic Buildings: Interim Results from HPT Annex 60

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

• Retrofitting Heat Pump Systems in Large Non-domestic Buildings. IEA Heat Pump Centre.
• Heat pump installations for large non-domestic buildings CIBSE 2022
• Decarbonizing HVAC and Water Heating in Commercial Buildings, US DOE 2021
• Les pompes à chaleur dans les bâtiments tertiaires, AFPAC 2023
• Heat Pumps: Which one is right for your site and what else to consider alongside? Energy Systems Catapult 2023
• Decarbonizing Building Thermal Systems: A How-to Guide for Heat Pump Systems and Beyond

Nicht-technischer Artikel: Schaffung eines Investitionsklimas für saubere Fernwärme

Prof. David Pearson, Schottland, UK

Prof. Pearson beleuchtet in seinem Artikel, nach einführenden Erklärungen und einer Darstellung des Status Quo, vor allem diverse Maßnahmen in drei Themenbereichen, die es von Seiten der schottischen Politik entsprechend zu adressieren gilt, um die Verbreitung von Wärmenetzen in städtischen Gebieten zu beschleunigen. Dies ist v.a. vor dem Hintergrund der ambitionierten schottischen Zielvorgaben – Erhöhung des durch Wärmenetze zur Verfügung gestellten Wärmeanteils von unter 2% auf 8% bis 2030 sowie auf 10% bis 2035 – notwendig.

Eine entscheidende Rolle bei der Zielerfüllung sollen Großwärmepumpen spielen, deren Betrieb jedoch wirtschaftlich rentabel sein muss. Der wichtigste Faktor in diesem Kontext ist ein attraktiver Strompreis. Neben Schaffung von Vertrauen in die Wärmeverkäufe der Abnehmer durch diverse Vorgaben bzw. Regulierungen müssen zudem Vision und Umsetzungsplanung einer sauberen Fernwärme entsprechend effektiv kommuniziert werden, um ein stabiles Umfeld für privat finanziertes Wachstum von Wärmenetzen schaffen und das Engagement relevanter Interessensgruppen zu fördern.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link: Creating an Investment Climate for Clean District Heating

Nicht-technischer Artikel: Wenn das Elektroauto Einzug hält - Koordinierte Steuerung von Wärmepumpen und der Ladung von Elektroautos

Markus Lindahl, Lars-Henrik Björnsson, Jan Ekman, RISE Research Institutes. Schweden

Das Autorenteam präsentiert Ergebnisse eines laufenden schwedischen Forschungsvorhabens, das sich mit der Frage beschäftigt, wie Bewohner:innen von Einfamilienhäusern die sowohl Wärmepumpen als auch Elektroautos nutzen, diese am besten - v.a. im Sinne von kostenoptimiert - betreiben bzw. beladen können. Das ökonomische Potential wird mittels Simulationen für zwei Szenarien – a) aktive Steuerung durch Hausbewohner:innen und b) koordinierte Steuerung - evaluiert. Als Referenzgebäude dient ein 160m² großes EFH mit Heizbedarf von max. 9 kW. Eine 8kW Grundwasser-Wärmepumpe (und falls erforderlich, Zusatzheizung) versorgen das EFH mit Wärme und Brauchwasser. Die E-Autos werden jede Nacht mit einem 11kW Charger beladen.

Das im Rahmen der Simulationen ermittelte durchschnittliche jährliche Einsparungspotenzial beläuft sich auf ca. 470 $, was ca. 20 % der jährlichen Stromkosten für EFH entspricht. Tägliche Fahrgewohnheiten haben einen signifikanten Einfluss auf die Einsparungen. Die Verteilung der Fahrten auf viele Tage ermöglicht eine größere Flexibilität beim Aufladen und damit höhere Kosteneinsparungen im Vergleich zu weniger Tagen mit intensiverem Fahren und Aufladen. Etwa 70% der Einsparungen resultieren aus der Vermeidung von Kosten im Zusammenhang mit Spitzenlasttarifen, während 30% auf Einsparungen durch die Verlagerung des Verbrauchs auf Stunden mit niedrigeren Strompreisen entfallen. Die jährlichen Einsparungen durch eine koordinierte Steuerung steigen mit der Fahrstrecke bis zu etwa 10.000 km pro Jahr, danach pendeln sie sich ein.

Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgendem Link: When the Electric Car Moves In-Coordinated Control of Heat Pumps and Electric Car Charging

Nicht-technischer Artikel: R744 Wärmepumpen mit Ejektoren für Heizung und/oder Kühlung: Möglichkeiten, Herausforderungen, und Ergebnisse

Alessandro Silva, Oliver Javerschek, Florian Simon, BITZER Kühlmaschinenbau GmbH, Deutschland

Die zwei Autoren präsentieren Möglichkeiten und Herausforderungen beim Einsatz von R744-Wärmepumpen mit Ejektoren. Sie vergleichen die Auswirkungen eines Ejektors auf ein Luft-Wasser- und Wasser-Wasser R744-Wärmepumpensystem mit einer Heizleistung von 250 kW sowie einer Kühlleistung von 180 kW mit einem Flash-Gas-Bypass-System in einem Luxushotel in Mexiko Stadt. Zudem zeigen sie die Messergebnisse einer R744 Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit Ejektor ausgelegt für einen geringen Temperaturhub in der Schaufler Akademie in Deutschland.

Die Ergebnisse aus Mexiko Stadt zeigen, dass einstellbare Ejektoren COP und Energieeffizienz eines Wärmepumpensystems verbessern und den Stromverbrauch für den Betrieb des Kompressors reduzieren können. So ermöglichen hohe Umgebungstemperaturen eine COP-Steigerung um bis zu 16,7% bei 35,0 °C und eine Reduktion der Verdichterleistung um 10,2%. Niedrige Umgebungstemperaturen stellen jedoch eine Herausforderung für einen stabilen Betrieb des Ejektors dar.

Die an der Schaufler-Akademie durchgeführten Tests zeigen, dass die Leistung der Wärmepumpe mit Ejektor, speziell bei unterschiedlichen Temperaturen der Wärmesenke, vom Ansaugmassenstrom und dem Entrainment abhängt. Damit sind Abstimmung von Kompressor und Ejektor-Massenstrom bzw. der Betriebsfrequenz und der Ejektor-Öffnung von entscheidender Bedeutung.

Der komplette Artikel kann unter nachfolgendem Link heruntergeladen werden:
R744 Heat Pumps with Ejectors for Heating and/or Cooling: Opportunities, Challenges, and Results

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

• Lorentzen, G., Pettersen, J., 1992. New possibilities for non-CFC refrigeration. IIR Int. Symp. on Refrigeration, Energy and Environment, Trondheim, Norway, June 22-24, pp.147-163.
• Eckert, M., Kauffeld, M. and Siegismund, V. eds., 2022. Natural refrigerants: Applications and practical guidelines. VDE Verlag GmbH., Germany, 282 pages, (1st edition), pp. 97-178.
• Zhang, X.R. and Yamaguchi, H., 2021. Transcritical CO2 Heat Pump: Fundamentals and Applications. John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd, 2021, (1st edition), pp. 1-42.
• Silva, A., 2024. Intelligent CO2 Compressors and ejectors for enhanced system efficiency and reliability in industrial applications. IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, Rosen Shingle Creek Resort in Orlando, Florida from March 24 – 27, 2024. Technical Paper #9.
• Simon F., Pfaffl J., Javerschek O., 2022. Introduction of an ejector for industrial scale CO2 systems, 19th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, July 10 - 14, 2022, Paper-ID 2583.
• European Standard (EN). EN12900:2013 Refrigerant compressors- Rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer's performance data.
• Hellmann S., Kren C., Brouwers C., 2014. Development and testing of controllable ejectors for commercial CO2 refrigeration systems, DKV-Tagung, Düsseldorf 2014.

Nationaler Marktbericht: Italien: Wärmepumpenmarkt

Maurizio Pieve, Raniero Trinchieri, ENEA, Italien
Marco Dall'Ombra, Federico Musazzi, Assoclima, Italien

Das Autorenteam berichtet über die Entwicklung des italienischen Wärmepumpenmarktes in den letzten 15 Jahren und beschreibt finanzielle Anreizsysteme sowie Marktbarrieren.

So wurden im letzten Jahrzehnt im Schnitt jährlich 250.000 Wärmepumpen primär für Heizzwecke verkauft. Im Jahr 2022 waren es - als Folge des Förderprogramms „Super Ecobonus" bzw „Suberbonus 110" - 513.000 Stück; der Verkaufswert 2023 entspricht jenem aus dem Jahr 2021. Der Anteil der Wärmepumpen an den Absatzzahlen für Raumheizungsgeräte stieg in den letzten fünf Jahren von 12% in der ersten Hälfte der 2010er Jahre auf über 26 % an. Luft-Luft-Systeme wurden bevorzugt gekauft; ihre Bedeutung nimmt ab (81% Anteil an den Verkaufserlösen in 2016; 2023 waren es 57%), während der Anteil von Luft-Wasser-Heizungs-, Brauchwasserwärmepumpen sowie hybriden Systemen im Steigen begriffen ist. Die steigenden Verkaufszahlen für Brauchwasserwärmepumpen und hybride Systeme liegen v.a. im zunehmenden Vertrauen der Installateure und Planer in die Technologie sowie deren höheren Akzeptanz bei Kund:innen.

Anreizsysteme & Barrieren: Wärmepumpen haben von diversen steuerlichen Förderungen profitiert. Dazu zählen bspw. der bereits erwähnte Ecobonus, der aktuell einer 65%-igen Reduktion der Investitionskosten für den Ersatz des bestehenden Raumheizungssystems entspricht. Eine Marktbarriere für eine schnellere Diffusion stellen nach wie vor Installateure dar, die eher widerwillig neue, komplexere Technologien integrieren wollen. Zudem hat sich herausgestellt, dass stabile, kohärente Förderungen wichtig sind, um das Vertrauen der Endkund:innen in die Technologie sicherzustellen.

Der komplette Artikel kann unter nachfolgendem Link heruntergeladen werden:
Italy: Heat Pump Market Report

Als Referenzen wurden folgende Publikationen verwendet:

• M. Marchesini, Presentation of Annual Statistical Survey on the market for air conditioning systems, MCE Milano 13th March 2024.
• Assoclima Air conditioning components annual turnover reports for 2006-2023, Anima Bureau for Studies.
• Assotermica, Statistical Studies, years 2010-2023.
• M. Pieve, R. Trinchieri, Heat Pump Market report for Italy, HPT Magazine, vol. 36 no. 3/2018.
• EHPA stats, http://www.stats.ehpa.org.
• M. Pieve, R. Trinchieri, Green Deal – an opportunity to boost the deployment of heat pumps in the building sector – an Italian focus, HPT Magazine, vol. 39 no. 3/2021