Wärmepumpen für Mehrfamilienhäuser : Fraunhofer entwickelt Konzepte mit Propan
Visualisierung eines Beispielgebäudes mit zentraler Luft-Wasser-Wärmepumpe und dezentraler Brauchwarmwasser-Nacherwärmung.
- © Fraunhofer ISEWärmepumpen können in Bestands-Mehrfamilienhäusern alte Gas- und Ölheizungen ersetzen, wenn das gesamte System passend zum Gebäude ausgelegt wird. Das ist das Kernergebnis des Forschungsprojekts "LC R290", für das 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 Wissenschaftler*innen 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 Luftwärmepumpen 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. „Wichtig ist dabei eine auf das Gebäude abgestimmte Systemplanung von Wärmepumpe, Speicher, Hydraulik, Regelung und Wärmeverteilung“, betont Projektkoordinator Björn Nienborg am Fraunhofer ISE.
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Demonstratoren für zentrale und dezentrale Lösungen
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 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.
>> Stapelbare Solewärmepumpe: Innenaufstellung mit Propan
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.
Propan im Innenraum: Sicherheitskonzepte im Check
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.
>> Vaillant aroTHERM plus: Neuartiges Sicherheitskonzept für Propan-Wärmepumpe
Getestete Sicherheitskonzepte und ihre Ergebnisse
Die fünf unterschiedlichen Sicherheitskonzepte im Schnellüberblick:
- Referenzfall
Um eine Benchmark zu haben, wurden im Referenzfall keine Sicherheitsmaßnahmen gegen einen Propan-Austritt ergriffen. Die Mischung aus Propan und Luft fließt dabei nahezu ungestört heraus, sinkt zu Boden und wird kaum durchmischt, was zu einer stabilen, konzentrierten Schwergasschicht in Bodennähe führt. Eine langsame Strömung bei kleinen Leckageraten ist gefährlicher als eine voll turbulente Ausströmung, die direkt nach dem Austritt aus dem Gehäuse mit der Raumluft durchmischt wird. Die Strömungsform am Leck hat damit einen deutlich höheren Einfluss als die Frage, ob ein Raum unbelüftet bzw. schwach belüftet oder mechanisch belüftet wird. Für Wärmepumpenhersteller ist die kontrollierte Bauweise von Gehäusen und deren Dichtheit daher ein maßgeblicher Einflussfaktor.
- Konzept mit Zirkulationsluftstrom
Das Konzept basiert auf der Idee, dass ein am Gehäuse montierter Ventilator einen starken Luftstromimpuls erzeugt und das Propan ausreichend mit der Raumluft vermischt, um die Konzentration in der unmittelbaren Umgebung unter der Explosionsgrenze zu halten. Das begrenzt wiederum die Höchstfüllmenge im getesteten Raum laut Norm auf 350 Gramm Propan. Die Daten zeigen, dass dann sichere Bedingungen im Aufstellungsraum bei Leckragen mit 0,15 g/s bei 140 m³/h festgestellt werden konnten. Die Ergebnisse sind jedoch strikt an die Einhaltung der Rahmenbedingungen gekoppelt.
- Standard-Sicherheitskonzept: Externe Belüftung
Zur Belüftung des Gehäuses erzeugt ein Ventilator Unterdruck im Gehäuse und saugt austretendes Propan über einen Koaxialkanal direkt nach außen ab. Getestet wurden drei Belüftungskonzepte: Kontinuierliche Belüftung, durch ein Leckageerkennungssystem gesteuerte Belüftung und kontinuierliche Belüftung mit Rückschlagventil. Die kontinuierliche Belüftung ein bereits häufig angewandtes Sicherheitskonzept, dessen Sicherheit nochmals bestätigt wurde. Die gesteuerte Belüftung wird für maximale Effizienz empfohlen, erfordert jedoch das zusätzliche Leckageerkennungssystem.
- Schornstein-Konzept
Bei diesem passiven Sicherheitskonzept geht es um den Einfluss eines Schornsteins mit Lamellenhaube oder einer normalen Haube (die nur vor Regen schützt und große Öffnungsflächen für die Vermischung mit Wind bietet) auf freigesetztes R290. Das Gas wird dabei ausschließlich durch den am Schornsteinkopf anliegenden Auftriebs- und Windsog abtransportiert. Die Wirksamkeit des Konzepts ist an zwei Bedingungen geknüpft: eine hohe Gehäusedichtheit und ein ausreichender Sog am Kaminkopf.
Eine im Betrieb nachlassende Dichtheit (durch Alterung, Wartung, mechanische Beschädigung) kann die zündfähige Mischung jedoch unbemerkt in den Raum verlagern. Für die praktische Umsetzung folgt daraus, dass das Konzept nur mit dauerhaft dichtem Gehäuse und einer definitiv sogfördernden Kopfausführung (Lamellenhaube) als sicher gelten kann, was Prüf- und Wartungsvorgaben nach sich ziehen würde. Die größere Gefährdung geht allerdings von dem Mangel an zeitnaher oder zeitlich begrenzter Entlüftung aus. Sie verletzt das Prinzip der „zeitlichen Minimierung einer Gefährdung“ laut EN 12100 oder EN 1127-1. Daher konnte keine sichere Lösung getestet werden.
- Drainage-Konzept
Ein zweites passives Sicherheitskonzept: Hier fließt das schwere Propan schwerkraftgetrieben über eine tiefliegende Drainageöffnung nach außen ab. Das Gerät wird dafür 260 mm angehoben, um ein Gefälle zum Auslass zu schaffen. Getestet wurde das Konzept in drei Varianten: Eine Gravitationsdrainage mit Gefälle, eine zusätzliche Venturi-Düse am Auslass und eine Rückschlagklappe am Auslass.
Durch das Gravitationsgefälle alleine könnte der Abtransport des Propans nicht in zufriedenstellend kurzen Zeitfenstern erreicht werden. Die Venturi-Düse erwies sich als kontraproduktiv. Sie erzeugte mangels Anströmung keinen Sog, sondern einen zusätzlichen Strömungswiderstand. Die Rückschlagklappe konnte als dicht bewertet werden, brachte jedoch keine weiteren Vorteile. Für die praktische Umsetzung folgt daraus die Empfehlung, das Konzept auf den einfachen, gefällegeführten Abfluss – optional ergänzt um ein leichtgängiges Rückschlagventil – zu stützen und auf strömungsverengende Elemente am Auslass zu verzichten. Da es sich um ein passives Konzept ohne Eigenüberwachung handelt, müssen Gefälle, Dichtheit des Gehäuses und Freigängigkeit der Ablauföffnung über die Lebensdauer sichergestellt werden.
Folgeprojekt bereits in der Pipeline
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.
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