IEA HPT Annex 49: Design und Integration von Wärmepumpen für Niedrigstenergiegebäude (nZEB)

Ein dominierendes Konzept, Niedrigstenergiegebäude (nZEB) zu erreichen, ist die Kombination von PV-Anlagen und Wärmepumpensystemen. Das erweiterte Spektrum des Annex 49 umfasste die Energiebilanz von Einzelgebäuden und Gebäudegruppe bzw. Siedlungen sowie eine gründliche Untersuchung durch Simulation und Monitoring der Integrationsoptionen sowie des Designs und der Regelung für Wärmepumpen in nZEB und deren Integration in die Energiesysteme.

Kurzbeschreibung

Ende 2020 müssen alle neuen Gebäude in der Europäischen Union (EU) nahezu Nullenergiegebäude (nZEB: nearly-zero energy building nach EPBD) sein, um zur Erreichung der EU-CO2-Neutralität bis 2050 beizutragen. Die vielversprechendsten HLK-System beinhaltet Wärmepumpen (HP) und Photovoltaik (PV)-Paneele, jedoch gibt es laufende Diskussionen über das optimale Systemdesign zur Erreichung von nZEB [Wemhoener (2009)], dieser Aspekt stand im Fokus des IEA-HPT Annex 49.

Im Rahmen des IEA HPT Annex 49 wurden Wärmepumpenkonzepte für nZEBs untersucht. Dies umfasste die Integration von Wärmepumpen in Kombination mit erneuerbaren Energien zur Anwendung in nZEB mit dem Schwerpunkt der Optimierung der Regelung. Zusätzlich wurden in ausgewählten Projekten Monitoring-Ergebnisse von Wärmepumpen in nZEBs analysiert.

Ziele

Die Ziele des IEA HPT Annex 49, welche auf den Ergebnissen des Annex 40 „Heat Pumps for Nearly Zero Energy Buildings" aufbauten waren:

Die Definitionen von nZEBs der teilnehmenden Länder in Bezug auf den Einfluss auf Wärmepumpentechnologien zu evaluieren und zu vergleichen;
das Design von Wärmepumpen-Systemen für verschiedene Anwendungen in Wohngebäuden oder tertiären Gebäuden in Bezug auf Leistung und Effizienz, Kosten, Netzbelastung und Netzflexibilität zu evaluieren;
Integrationsmöglichkeiten für die Gebäudetechnik mit Wärmepumpen bei multifunktionaler Betriebsweise unter Berücksichtigung der Erfordernisse des integrierten Systems zu verfeinern
Erfahrungen beim Monitoring von nZEB mit verschiedenen Wärmepumpen-Konzepten und Technologien in den beteiligten Ländern mit unterschiedlichem Klima und verschiedenen Marktbedingungen zu sammeln;
Empfehlungen ableiten für integrierte Wärmepumpensysteme sowie für Wärmepumpen Design und Regelung in einzelnen nZE Gebäuden und nZE Siedlungen;
Ergebnisse zu verbreiten über die Annex-Webseite, Publikationen, Workshops und Berichte.

Der Annex 49 war dafür in folgende 5 Arbeitspakete gegliedert:

AP 1: Stand der Technik, Definitionen und nZEB Konzepte für Siedlungen
AP 2: Optionen für die System-Integration von Wärmepumpen in einzelne nZE Gebäude und nZE Siedlungen
AP 3: Evaluierung und Entwicklung von Technologien und Evaluierung von Feldmessungen; Bewertung von Technologieentwicklung und realer Effizienz durch Monitoring von nZEB
AP 4: Design und Regelung von nZEB Technologien; Design und Regelung von integrierten Wärmepumpen-Systemen in nZEB
AP 5: Dissemination der Ergebnisse

Folgende Beiträge wurden vom österreichischen Team erarbeitet und eingebracht:

nZEB Umsetzung in Österreich

Die zugrundeliegende Idee der österreichischen Umsetzung der EPBD ist, dass ein Niedrigstenergiegebäude entweder durch Verbesserungen der thermischen Gebäudehülle über verschärfte Heizwärmebedarfsanforderungen oder über eine Verbesserung der energetischen Qualität des technischen Gebäudesystems mit verstärkter vor Ort oder in der Nähe erzeugter erneuerbarer Energie über eine Reduktion des Gesamtenergiefaktors (fGEE) verwirklicht werden kann. Die Österreichische Umsetzung der EPBD in der aktuellen Form (2019), erscheint im Sinne der ambitionierten Klimaschutzziele Österreichs und der EU nicht ausreichend. Dieser sog. Duale Weg mit dem Verfahren über die Gesamtenergieeffizienz erlaubt weiterhin insbesondere bei Einfamilienhäusern eine nur mäßige Qualität der Gebäudehülle und verfehlt damit die Möglichkeit der für den Klimaschutz notwendigen Einsparungen im Gebäudebereich. Im Europäischen Vergleich ist das österreichische nZEB wenig ambitioniert und liegt ebenso wie z.B. Deutschland (EnEV) deutlich hinter den Vorgaben der EU und deutlich hinter ambitionierten Definitionen wie z.B. von Dänemark. Allerdings ist ein direkter Vergleich aufgrund unterschiedlicher Randbedingungen und Annahmen schwierig und Experten vorbehalten. Es wurde im Rahmen des IEA HPT Annex 49 eine transparentere Methode entwickelt, die es erlaubt den sog. Ambition Level - d.h. die Abweichung in Bezug auf Lebenszykluskosten und Primärenergiebedarf zur Kostenoptimalen Lösung - verschiedener Mitgliedsländer unter Berücksichtigung unterschiedlicher Klimabedingungen und Randbedingungen zu vergleichen. Dafür wurden am Beispiel eines Einfamilienhauses mit einer Luft-Wasser Wärmepumpe Simulationsmodelle für verschiedene Plattformen entwickelt und kalibriert. Im Detail wurden die D-A-CH Länder und Italien verglichen.

Fallstudien

Mehrere Fallstudien, welche die Integration von Wärmepumpen in nZEBs zeigen, wurden im Rahmen des IEA HPT Annex 49 untersucht und auf Basis von Monitoring und Simulationsergebnissen optimiert. Die österreichischen Fallstudien sind:

Das NZEB Vögelebichl in Innsbruck, zwei Mehrfamilienhäuser, die nach dem Passivhausstandard gebaut und als Passivhaus Plus zertifiziert wurden, und mit dem Ziel die Netto-Nullbilanz für die Gebäudetechnik einschließlich Hilfsenergien zu erreichen, wurde ein umfassendes Monitoring und detaillierte Simulationsstudien durchgeführt.
Die Wohnhausanlage am Bauplatz D12 in der Seestadt Aspern mit 204 geförderten Mietwohnungen, 8 Lokalen und nutzungsneutralen Räumlichkeiten ist als Holzriegelkonstruktion auf Stahlbeton mit einer Holzfassade ausgeführt. Wärmepumpen (WP) und Solarsysteme liefern Wärme, wobei drei unterschiedliche Wärmequellen für die WP genutzt werden.
Ergebnisse und Konzepte des Förderprojekts (PEAR) wurden am Testgebäude Post am Rochus demonstriert und anderseits ist durch den generischen Ansatz eine Übertragbarkeit auf andere Gebäude gegeben.
Im Projekt solSPONGEhigh wurden verschiedene Ansätze für Wärmeversorgungssysteme auf Basis einer Wärmepumpe in Kombination mit Sonnenenergie (Solarthermie oder Photovoltaik) unter Verwendung von Thermisch aktivierten Bauteilsystemen (TABS) für unterschiedliche Gebäudetypen anhand von detaillierten Systemsimulationen untersucht.
Das Ziel des Projekts COOLSKIN war die Konzeption von dezentralen fassadenintegrierten Systemen zur Kühlung und Beheizung von Büroräumen auf Basis einer Kombination von gebäudeintegrierter Photovoltaik und Wärmepumpe.

Schlussfolgerungen

Die Fallstudien belegen die guten Erfahrungen mit „echten" nZEBs in Österreich. Sehr effiziente Gebäude mit hochwertigen Gebäudehüllen in Kombination mit Wärmepumpen und gebäudeintegrierten erneuerbaren Energien können - auch angesichts der Einschränkungen bezüglich leistbaren Wohnens - zu erheblichen Primärenergieeinsparungen beitragen. Um eine optimale Leistung und damit die maximale Primärenergieeinsparung zu erzielen, ist jedoch ein an die Gebäude angepasstes Systemdesign und eine entsprechende Dimensionierung zusammen mit einer gut abgestimmten Regelung und einer entsprechenden Qualitätskontrolle von der Planung bis zur Inbetriebnahme erforderlich.

Projekt-Bilder

Nutzungshinweis: Die unter Projekt-Bilder aufgelisteten Bilder stammen aus den Projekten, die im Rahmen der Programme Stadt der Zukunft, Haus der Zukunft und IEA Forschungskooperation entstanden sind. Sie dürfen unter der Creative Commons Lizenz zur nicht-kommerziellen Nutzung unter Namensnennung (CC BY-NC) verwendet werden.

Publikationen

Endbericht (pdf, 6.24 MB)

Weitere Publikationen

Teilnehmende Staaten

Belgien, Deutschland, Finnland/Estland, Norwegen, Österreich, Schweden, Schweiz, Vereinigte Staaten

Kontaktadresse

Universität Innsbruck
Fabian Ochs, Mara Magni, Elisa Venturi
Technikerstr. 13, 6020 Innsbruck
Tel. ++43 512 507 63603
E-Mail: fabian.ochs@uibk.ac.at

IWT, TU Graz
Andreas Heinz

AIT, Wien
Tim Selke, Philip Horn