Mit dem Klimaplan 2040 hat sich Österreich das Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2040 klimaneutral zu werden und somit netto keine klimaschädlichen Treibhausgasemissionen mehr zu verursachen. Ein Schwerpunkt dieses Plans ist die Reduktion der CO₂-Emissionen der Raumwärmeerzeugung im Gebäudesektor, was den Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energieträger erfordert. Die Grundlage dafür liefert das Erneuerbare-Wärme-Gesetz (EWG), welches den Einbau von Wärmebereitstellungsanlagen auf Basis fossiler Energieträger, zumindest im Neubau, untersagt. Nach dem Einbauverbot von Ölheizungen folgte nun ebenfalls ein Einbauverbot von Gasheizungen. Ebenso soll der Energieverbrauch von Bestandsgebäuden durch thermische Sanierungen der Gebäudehüllen reduziert werden. Für Bestandsgebäude soll der Umstieg von alten Öl- und Gasheizungen auf erneuerbare Heizsysteme sowie die thermische Sanierung durch umfangreiche Förderungen erleichtert und angestoßen werden.
Im Bereich der erneuerbaren Raumwärme hat der Einsatz von Wärmepumpenheizungen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen, insbesondere im Kontext der Energiewende und der steigenden Anforderungen an Effizienz und Klimaschutz. Wärmepumpen bieten eine nachhaltige und umweltfreundliche Alternative zu traditionellen Heizsystemen, indem sie die in der Umgebungsluft, im Erdreich oder im Grundwasser gespeicherte Wärme nutzen und auf ein nutzbares Temperaturniveau für Heizung und Brauchwasser anheben. Durch die Nutzung der kostenlos zur Verfügung stehenden Umweltwärme können Wärmepumpen den Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen erheblich reduzieren, was sie zu einer Schlüsseltechnologie im Bereich der modernen Gebäudetechnik macht.
Ständige technische Weiterentwicklungen führen zu immer effizienteren Wärmepumpen am Markt. Mit dem Umstieg vieler Hersteller von synthetischen, heutzutage als klimaschädlich erkannten Kältemitteln (z.B. Kältemittel R410A) auf das natürliche Kältemittel Propan (R290) wird vermehrt eine umweltfreundliche Alternative eingesetzt. Zusätzlich werden durch die thermodynamischen Eigenschaften von Propan höhere Vorlauftemperaturen des Heizsystems erreicht, was das Einsatzspektrum erheblich erweitert. Hohe Vorlauftemperaturen von bis zu 70°C machen die Wärmepumpen nicht nur im Neubau, sondern auch im Altbestand als Sanierungsmaßnahmen in Kombination mit älteren Heizkörpern effizient einsatzfähig.
Im Allgemeinen sind Sanierungsmaßnahmen je nach Vorhaben einzeln zu identifizieren und zu bewerten. Diese Maßnahmen können vom Tausch der Heizungsanlage über einen Fenstertausch bis hin zu einem kompletten Wärmedämmverbundsystem reichen. Das primäre Ziel dabei ist stets die Senkung des Heizwärmebedarfs dieser Gebäude. Dies führt dazu, dass das Heizsystem auf weniger Heizleistung zur Deckung des Heizwärmebedarfs ausgelegt und mit niedrigeren Vorlauftemperaturen betrieben werden kann. Großflächige Fußbodenheizungen können hierbei beispielsweise mit den niedrigsten Vorlauftemperaturen betrieben werden. Prinzipiell führt eine Senkung der Vorlauftemperatur bei jedem Heizsystem zu einer Effizienzsteigerung und soll möglichst angestrebt werden. Bei Wärmepumpen ist der Effekt der Effizienzsteigerung am höchsten und führt zu einem nochmals effizienteren Heizbetrieb durch geringere Energiekosten.
Prädiktive Leistungsregelung
Das junge und bereits mehrfach ausgezeichnete Unternehmen LAMBDA Wärmepumpen aus Kirchbichl in Tirol entwickelt und produziert hocheffiziente Luft-Wasser-Wärmepumpen, die mit dem natürlichen und umweltfreundlichen Kältemittel Propan (R290) betrieben werden. Die stufenlos vollmodulierenden Wärmepumpen der Serie Eureka – Modelle EU08L, EU10L, EU13L, EU15L und EU20L – für bis zu 20 kW Nennleistung setzen neue Maßstäbe in der Energieeffizienz, dank des innovativen und patentierten „3K-Prozesses“. Durch die optimierte Strömungsmechanik ist es gelungen, eine deutliche Verbesserung des Wärmeübergangs zu erreichen und die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungsluft und der Verdampfungstemperatur auf durchschnittlich nur 3 Kelvin zu reduzieren. Diese Wärmepumpen überzeugen durch deutlich reduzierten Energieverbrauch, höhere Leistungsfähigkeit und wesentlich weniger und kürzere Abtauzyklen. Das Resultat ist ein um 26% geringerer Stromverbrauch gegenüber dem derzeit höchsten Energieeffizienzstandard A+++ von Wärmepumpen.
Um die Stromkosten für den Betrieb der Wärmepumpe noch einmal weiter zu senken, entwickelt das Unternehmen aktuell eine Regelstrategie zur prädiktiven Leistungsanpassung durch Einbeziehung von Wetterdaten und flexiblen Strompreisen. Neben herkömmlichen Fix-Tarif-Strompreisen werden bereits von vielen Stromanbietern Tarife mit stündlichen, flexiblen Strompreisen angeboten, die sich nach den realen Preisen am Strommarkt – am Börsenstrompreis – orientieren. Die stündlichen variablen Strompreise basieren dabei auf Angebot und Nachfrage am Strommarkt. Stündliche Preisschwankungen aufgrund bestimmter Tageszeiten und dem Anteil erneuerbarer Energien sind die Folge. Diese Tarife ermöglichen es den Verbrauchern, Strom zu Zeiten niedriger Preise zu verbrauchen und den Verbrauch zu Zeiten hoher Preise zu senken. Für Wärmepumpen bedeutet dies, dass die Wärmekosten bzw. der Stromverbrauch der Wärmepumpe bei entsprechender Betriebsweise unter Berücksichtigung der flexiblen Stromtarife weiter gesenkt werden kann, was den Betrieb nochmals effizienter macht.
Die neue Regelstrategie (siehe Konzept in Abbildung 1) umfasst eine vollständige Integration von Wetterdaten und flexiblen Strompreisen, um die Wärmekosten für den Betrieb der Wärmepumpe zu optimieren und zu senken. Die iterative Simulation erstellt dazu für den Folgetag einen „Wärmefahrplan“ und ermöglicht einen kostenoptimierten Betrieb der Wärmepumpe. Durch stündliche variable Strompreise für den Folgetag ergeben sich Tageszeiten, zu welchen die Wärmeerzeugung besonders günstig oder teuer ist. Durch Einbindung stündlicher Wetterdaten ergeben sich ebenso Tageszeiten, zu denen eine Wärmepumpe aufgrund von höheren Außentemperaturen noch effizienter betrieben werden kann. Die Simulation verlagert dabei die Wärmeerzeugung über den Tag insofern, dass möglichst günstige Tageszeiten für die Wärmeerzeugung genutzt werden. Grundlage ist hierfür die zu gewährleistende Heizleistung bei entsprechenden Außentemperaturen für den Folgetag. Ebenfalls wird die thermische Trägheit der Gebäude bzw. der Speichermasse (z.B. Estrich bei Fußbodenheizung, Speichermasse von Puffer und Heizwasser, etc.) berücksichtigt. Die tagesaktuellen Wetterdaten und Strompreise werden über eine zentrale Schnittstelle für den Folgetag von dem eigens entwickelten Fernwartungsportal „Connected Heat“ online abgerufen. Darüber hinaus können stromanbieterspezifische Kosten wie Netzgebühren, Steuern oder andere Kosten vorab konfiguriert werden, um so jeden Stromanbieter mit dessen individuellen-flexiblen Strompreisprodukt implementieren zu können. Die iterative Simulation zur Erstellung des „Wärmefahrplans“ wird anschließend auf der Steuerung jeder einzelnen Wärmepumpe mithilfe eines digitalen Zwillings durchgeführt. Damit sollen nun die Wärmepumpen mit den realen, stündlich-aktuellen Strompreisen sowie Wetterdaten nach dem optimierten „Wärmefahrplan“ betrieben werden können, was einen nochmals effizienteren Betrieb garantiert.
Neben dem kostensparenderen Betrieb trägt der optimierte „Wärmefahrplan“ zusätzlich zur Entlastung des Stromnetzes bei, insbesondere während Spitzenzeiten. Die günstigeren oder teureren Strompreise ergeben sich über den Tagesverlauf aufgrund von Angebot und Nachfrage (Photovoltaik-Überschuss, geringere Nachfrage nachts etc.), was auch die Förderung erneuerbarer Energien unterstützt.
Erste Ergebnisse der prädiktiven Leistungsregelung werden im Folgenden für einen konkreten Tag im März 2023 dargestellt. Das zu betrachtende Gebäude weist eine Heizlast von 12 kW bei Normaußentemperatur von -12°C auf. Die Fläche der Fußbodenheizung beträgt 150m². Der Ausgangspunkt der iterativen Simulation ist, dass die erforderliche Heizleistung konstant über den Tag durch das Heizsystem abgegeben wird. Die Heizleistung wird anschließend über mehrfache Iterationen dahingehend optimiert, dass sich die minimalen durchschnittlichen Wärmekosten des betrachteten Tages ergeben. In der nachstehenden Abbildung 2 sind die Wärmekosten vor (Ausgangssituation) und nach der Optimierung sowie die Stromkosten eines variablen Stromtarifs abgebildet (Wärmekosten sind um Faktor mal 10 dargestellt). Aus der Reduzierung der ebenfalls angegebenen mittleren Wärmekosten lässt sich eine Ersparnis um ca. 15% der ursprünglichen Wärmekosten bestimmen.
Die prädiktive Leistungsregelung sorgt dafür, dass die Wärmeerzeugung in günstigere Tageszeiten verlagert und entsprechend wenig, bis keine Wärme zu ungünstigen Tageszeiten produziert wird. Der Heizbetrieb bzw. die Leistungsabgabe der Wärmepumpe über 24 Stunden ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Verlagerung der Wärmeerzeugung führt zu Aufheiz- und Abkühlphasen im Wärmeabgabesystem. Der dazugehörige Temperaturverlauf des Wärmeabgabesystems ist in Abbildung 4 abgebildet.
Die prädiktive Leistungsregelung vom Unternehmen LAMBDA Wärmepumpen zeigt vielversprechende Ergebnisse in der Reduzierung der Wärmekosten durch die Nutzung variabler Stromtarife und Wetterdaten. Die iterative Simulation zur Erstellung eines optimierten „Wärmefahrplans“ ermöglicht eine effiziente Verlagerung der Wärmeerzeugung zu kostengünstigeren Tageszeiten, was eine signifikante Kostenreduktion um, in diesem Beispiel, etwa 15% der ursprünglichen Wärmekosten ermöglicht. Zu den Herausforderungen zählen unter anderem die Berücksichtigung von thermischen Trägheitseffekten der jeweiligen Gebäude. Ebenso stellt die Implementierung der zentralen Schnittstelle zur Erfassung der stündlichen variablen Strompreise eine Schwierigkeit dar. Diese Daten sollen möglichst vollautomatisch online abgerufen werden. Darüber hinaus sind auch anbieterspezifische Preisgestaltungen in jedem Fall zu berücksichtigen, da es hier zu erheblichen Unterschieden kommen kann.
