Wärmepumpen können in Bestands-Mehrfamilienhäusern alte Gas- und Öl-heizungen ersetzen, wenn das gesamte System passend zum Gebäude ausgelegt wird.

(WK-intern) – Das ist das Kernergebnis des Forschungsprojekts »LC R290«, in welchem das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE mit einem Konsortium von zwanzig Firmen aus der Heizungsbranche und Wohnungswirtschaft typische Lösungskonzepte für den Heizungstausch erarbeitet hat.

Dabei setzte das Projektteam auf das Kältemittel Propan (R290).

Im ersten Schritt untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Beispielgebäude aus dem Portfolio der beteiligten Wohnungsbaugesellschaften, um die Anforderungen an die Wärmepumpenlösungen abzuleiten. Die Heizlasten der Gebäude variierten zwischen 23 und 93 kW, erforderten also eine große Bandbreite an Wärmepumpenleistungen. In manchen Gebäuden werden die Wohnungen einzeln über Gasetagenheizungen versorgt, andere verfügen über eine Zentralheizung. Darüber hinaus gab es große Unterschiede bei den potenziell verfügbaren Wärmequellen: Während bei Zeilenbebauung meist Platz für Luft-Wärmepumpen zwischen den Gebäuden ist, erfordern andere Bebauungsstrukturen die Nutzung anderer Quellen.

Es zeigte sich, dass es keine Einheitslösung für den Heizungstausch gibt, sondern dass die Konzepte auf die jeweilige Gebäudegröße, Platzverhältnisse, Heizsystem, Warmwasserbedarf, Schallschutz und Sicherheitsanforderungen abgestimmt werden müssen. Das Projektteam untersuchte daher mehrere Modernisierungsvarianten – wohnungsweise sowie zentrale Wärmepumpen für Innen- und Außenaufstellung. Dabei konzentrierte es sich besonders auf Ansätze, die wenig Umbau erfordern und platzsparend sind.

»Aufgrund der verschiedenen Herausforderungen, etwa die Frage nach einer geeigneten Wärmequelle oder dem begrenzten Platzangebot, gibt es nicht die eine technologische Lösung, vielmehr haben wir mehrere Lösungen entwickelt, die zur Anwendung kommen können«, so sagt Projektkoordinator Björn Nienborg am Fraunhofer ISE. »Wichtig ist dabei eine auf das Gebäude abgestimmte Systemplanung von Wärmepumpe, Speicher, Hydraulik, Regelung und Wärmeverteilung.«

Demonstratoren für zentrale und dezentrale Lösungen mit Propan

Viele Bestands-Mehrfamilienhäuser werden bereits über eine Zentralheizung versorgt. Hier bieten sich für die Dekarbonisierung zentrale Wärmepumpensysteme an. Für den Austausch zentraler Heizsysteme im Außenbereich entwickelte das Forschungsteam einen Demonstrator, bei dem die Füllmenge des klimafreundlichen Kältemittels Propan (R290) gegenüber vergleichbaren Wärmepumpen-Geräten um 20 Prozent gesenkt und gleichzeitig die Effizienz um 15 Prozent gesteigert wurde. Daneben wurde ein kompaktes Baumuster einer innenaufgestellten Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Propan und einer 28 kW Heizleistung (B0/W55) erarbeitet. Ein besonderes Augenmerk dabei lag auf der Füllmengenreduktion, mit dem Ziel, die Anforderungen an das Sicherheitskonzept zu begrenzen.

Unter bestimmten Bedingungen – beispielsweise wenn mit Gasetagenheizungen versorgte Wohnungen unabhängig voneinander modernisiert werden sollen – können auch wohnungsweise Lösungen sinnvoll sein. Für eine dezentrale Lösung mit hydraulisch erschlossener Wärmequelle (z.B. Geothermie, Grundwasser oder Niedertemperatur-Wärmenetz) haben die Forschenden im Projekt einen Demonstrator (4,9 kW Heizleistung bei B0/W55) gebaut und im Labor vermessen. Dabei wurde eine Füllmenge von 150 g Propan verwendet.

»Die geringe Füllmenge von 150 g ist ein wichtiger Wert, um das Gefahrenpotenzial beim Einsatz des brennbaren Kältemittels Propan zu minimieren und so den Einsatz der Wärmepumpe in Küchen bzw. Waschräumen, den typischen Einsatzorten, zu ermöglichen«, erklärt Timo Methler, Teamleiter Gebäude-Wärmepumpen beim Fraunhofer ISE.

Sicherheitskonzepte untersucht

Propan ist durch sein sehr niedriges Treibhauspotenzial ein klimafreundliches Kältemittel, das jedoch brennbar ist. Aufgrund dessen wurden bei allen Lösungsvarianten auch Sicherheitsfragen analysiert. Eine Anforderung im Projekt war, mögliche Leckagefälle von Propan bei Innenaufstellung der Wärmepumpen zu untersuchen. So hat das Team in Ausströmversuchen derartige Fälle experimentell nachgestellt und mehr als 100 Tests mit fünf unterschiedlichen Sicherheitskonzepten durchgeführt. Die Messergebnisse bestätigten das in den Sicherheitsnormen beschriebene Sicherheitskonzept des »belüfteten Gehäuses« (EN 378, IEC 60335-2-40) vollumfänglich. Mit »Schornstein« und »Drainagekonzept« untersuchte das Projektteam zudem zwei weitere innovative und potenziell kostengünstigere Sicherheitskonzepte, die in folgenden Forschungsarbeiten weiterentwickelt werden. Die umfangreichen im Projekt gewonnen Messdaten können die beteiligten Hersteller nutzen, um ihre Sicherheitskonzepte weiter zu verfeinern.

Von der Forschung in die Praxis

Um die Dekarbonisierung von bestehenden Mehrfamilienhäusern zu beschleunigen und Planungsprozesse zu vereinfachen, wird das Fraunhofer ISE die im Projekt erarbeiteten Lösungsansätze in das neue Projekt MAMMUT einbringen. Dieses hat zum Ziel, ein Software-Tool zur Entscheidungsfindung sowie Auslegung von Wärmepumpensystemen im Mehrfamilienhaus mit direkt angebundener Angebotserstellung – insbesondere für SHK-Betriebe – zu entwickeln.

Weiter strebt das Fraunhofer ISE an, den Einsatz von Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern mit einem detaillierten Monitoring zu begleiten, um die Qualitätssicherung in der Praxis zu unterstützen. Dabei profitiert das Institut von seinem jahrzehntelangen Know-how beim Monitoring von Wärmepumpen in Einfamilienhäusern.

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.

PM: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

PB: Visualisierung eines Beispielgebäudes mit zentraler Luft-Wasser-Wärmepumpe und dezentraler Brauchwarmwasser-Nacherwärmung. / ©: Fraunhofer ISE