Fraunhofer und IWU: Hybrid-Wärmepumpen kein Effizienzwunder, sondern strategisches Werkzeug

Gleich zwei neue, jetzt veröffentlichte Wärmepumpen-Studien untersuchten den Wärmepumpen-Einsatz in bestehenden Wohnhäusern.

Das vierjährige Forschungsprojekt des Fraunhofer ISE „WP-QS im Bestand“ wertete Messungen an 77 Ein- bis Dreifamilienhäusern hauptsächlich mit dem Betriebsjahr 2024 aus. Untersucht wurden neben der Effizienz zudem Schallentwicklung und die Integration von Photovoltaikanlagen.

Im Forschungsvorhaben „Wärmepumpenpraxis im hessischen Wohngebäudebestand“ wurde der Einsatz von Wärmepumpen in überwiegend unsanierten oder nur teilsanierten Wohngebäuden in Hessen, Baujahr vor 1995, mit Fokus auf Luft-Wasser-Wärmepumpen und Heizkörpersystemen untersucht.

Bei der Verteilung der Anlagentypen zeigte sich, dass neben rein elektrischen Wärmepumpensystemen auch Hybrid-Wärmepumpen Systeme eine relevante Rolle spielen.

Damit bilden die Studien explizit auch den Fall ab, der in der Praxis häufig diskutiert wird: Wie gut funktioniert eine Wärmepumpe in einem Altbau, wenn sie nicht allein, sondern zusammen mit einem fossilen Kessel betrieben wird?

Das Fraunhofer ISE stellte bei den 13 untersuchten bivalenten Wärmepumpen sehr unterschiedliche Regelungsstrategien fest. Die Deckungsanteile der Kessel streuten dabei sehr stark: Die Bandbreite reicht von Wärmepumpen ohne nennenswerten Kesselbetrieb bis hin zu deutlich kesselgeprägten Systemen, bei denen im Jahr 2024 rund die Hälfte der Wärme von dem Kessel bereitgestellt wurde.

Das IWU stellte ebenfalls sehr unterschiedliche Auslegungen fest: Nur bei vier Anlagen ist die Leistung der Wärmepumpen deutlich geringer als die Heizlast des Gebäudes. Der Gaskessel muss bei diesen 30 bis 59 % der Wärmeenergie bereitstellen.

Bei weiteren vier untersuchten Wärmepumpen ist der verbleibende Anteil des Gaskessels mit unter 20 % sehr gering. Bei zwei Teilnehmern ist die abgeschätzte Heizlast geringer als die Wärmenennleistung der Wärmepumpe und somit zumindest bezüglich der Heizleistung eine 100 % Beheizung mit der Wärmepumpe möglich.

Das IWU kommt daher zu dem Schluss, dass unterschiedliche Zielsetzungen zu den in der Praxis angetroffenen Systemen führten:

• Einerseits ist zu vermuten, dass die benötigte Vorlauftemperatur der Heizflächen von der Wärmepumpe nicht erreicht werden und daher bei kälteren Temperaturen der bivalente Kessel zum Einsatz kommt.
• Andererseits scheinen einige Wärmepumpen-Nachrüstungen deshalb kleiner dimensioniert worden zu sein, dass sie nach einer späteren Sanierung das Gebäude auch monovalent versorgen können.

Laut IWU zeigten sich bivalente Wärmepumpen mit einer durchschnittlichen Jahresarbeitszahl von 3,29 nicht nennenswert effizienter als monoenergetische bzw. monovalente Anlagen. Die bivalenten Wärmepumpen in der Felduntersuchung haben im Mittel 0,13 Punkte (+4 %) bessere Jahresarbeitszahl als die Luft/Wasser-Wärmepumpen. Die sieben Anlagen, die nur mit Heizkörpern die Wärme übertragen, haben eine etwas niedrigere mittlere JAZ von 3,04.

In der Studie des Fraunhofer ISE zeigt sich ebenfalls kein signifikanter Unterschied in typischen Jahresarbeitszahlen zwischen Anlagen mit und ohne bivalente Systeme; die Unterschiede liegen im Bereich weniger Hundertstel JAZ-Punkte.

Die Autoren folgern daraus zweierlei:

1. Theoretisch soll der Kessel in bivalenten Anlagen genau die Betriebsbereiche abdecken, in denen die Wärmepumpe besonders ineffizient wäre (z. B. sehr hohe Vorlauftemperaturen, sehr niedrige Außentemperaturen). Diese Idee spiegelt sich tendenziell in den Daten wider.
2. Praktisch zeigt die vorliegende kleine Stichprobe jedoch keinen signifikanten Einfluss bivalenter Systeme auf die mittleren Jahresarbeitszahlen und typische Systemtemperaturen – die Unterschiede sind gering und statistisch kaum belastbar.

Anders formuliert: Bivalente Systeme können effizient sein, wenn sie sinnvoll geregelt werden. Die Studie finden aber kein generelles „Pro“ oder „Contra“ für bivalent – entscheidend ist die konkrete Ausführung.

Damit unterstreichen die Studien, dass bivalente Systeme nicht „per se“ effizienter sind, sondern ihre Effizienz – genau wie bei monoenergetischen Wärmepumpen – stark von der Auslegung (Heizlast, Vorlauftemperatur) und einer sorgfältigen Planung der Anlagentechnik abhängt.

Bivalente Wärmepumpen funktionieren in Bestandsgebäuden robust und mit ordentlichen JAZ um 3,3. Sie sind aber kein Effizienzwunder, sondern vor allem ein strategisches Werkzeug, um bestehende Kessel einzubinden, hohe Temperaturanforderungen abzufedern und Kosten zu optimieren.

Wenn die Leistung der Wärmepumpe bei niedrigen Temperaturen nicht ausreicht, um den gesamten Wärmebedarf zu decken, oder die Effizienz dann zu gering ist, wird ein zusätzlicher Wärmeerzeuger (z. B. Kessel) hinzugeschaltet, der ab einer Grenztemperatur (Bivalenzpunkt) entweder gemeinsam mit der Wärmepumpe (bivalent-parallel) oder an deren Stelle (bivalent-alternativ) die Wärmeversorgung übernimmt.

Systeme dieser Art werden auch als Hybrid-Heizungen bezeichnet. Bei Mehrfamilienhäusern wird der zweite Wärmeerzeuger teilweise auch für die Warmwasserbereitung eingesetzt, wenn hohe Temperaturen erforderlich sind.