Wärmepumpen sind bisher vor allem in neu gebauten Einfamilienhäusern im Einsatz. In größere Bestandsgebäuden bedeutet der Umstieg von Gas oder Öl auf die Wärmepumpe noch eine Herausforderung. Denn diese Gebäude stellen spezielle Anforderungen sowohl an die Übergabesysteme für Raumwärme und Warmwasser als auch an die Erschließung von Umweltwärme. „Die Herausforderungen liegen hier in der höheren erforderlichen Leistung des Wärmeerzeugers und der Lage der Gebäude in dicht bebauten Quartieren. Zudem erfolgt die Wärmeübergabe und die Trinkwasserbereitstellung in diesen Gebäuden häufig mit hohen Vorlauftemperaturen“, erklärt Jeannette Wapler vom Fraunhofer ISE.
Solarstrom muss in den Verdichter
Entsprechend stand im Mittelpunkt der Entwicklung unter anderem an der Absenkung von Systemtemperaturen. Ansatz war dabei das sogenannten Low-Ex-System. Solche Systeme arbeiten durch geringe Temperaturdifferenzen zwischen Heizmedium und Nutzwärme besonders effizient. Doch zunächst haben die Forscher verschiedene Systemkonzepte in unterschiedlichen Typen von Mehrfamilienhäusern untersucht. Sie haben dabei den Nutzerkomforts genauso mit einbezogen wie die wirtschaftlichen Aspekte und die erreichbaren Senkungen der CO2-Emissionen. Das Forschungsteam führte dabei eine komplette Analyse der Wärmeversorgung von der Niedertemperaturquelle bis zur Wärmeübergabe durch. Natürlich spielten dabei auch die Möglichkeiten der Versorgung der Wärmepumpe mit Solarstrom vom Dach und aus der Fassade eine entscheidende Rolle. Die Forscher haben auch mögliche Kombinationen unterschiedlicher Wärmequellen und den Einsatz von Hybridsystemen untersucht. Schließlich reicht in den Innenstädten in der regeln der Platz für mehrere Erdsondenbohrungen nicht aus.
Technologien kombiniert
Auf der Basis der Analysen haben die Forscher dann zusammen mit Industriepartnern wie Viessmann neue Komponenten entwickelt, die mit niedrigeren Temperaturen zurecht kommen. So wurde zusammen mit Viessmann ein System entwickelt, das mehrere Wärmequellen nutzt, um die Zahl der Erdsondenbohrungen zu minimieren. Deshalb haben sie es mit Außenluft als zweiter Wärmequelle kombiniert. Der Vorteil ist, dass dadurch auch die Lautstärke der Luft-Wärmepumpe reduziert werden konnte.
Neues Energieversorgungskonzept entwickelt
In weiteren Teilprojekten haben die Forschungspartner dann noch ein Hybridsystem entwickelt. Hier geht es um eine Kombination von Wärmepumpen mit fossil befeuerten Kesseln. Sie haben auch eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf auf Basis des natürlichen Kältemittels Propan, fassadenintegrierte Lüftungsgeräte sowie Hochtemperaturwärmepumpen entwickelt und alle Lösungen in der Praxis getestet. Dazu wurde zusammen mit Karlsruher Energieservice (KES) noch ein komplexes Energieversorgungskonzept für fünf Bestandsmehrfamilienhäuser mit 160 Wohnungen in Karlsruhe-Durlach entwickelt. Die neue Energieversorgung basiert auf der intelligenten Kombination von Technologien. So wurden alle Dächer mit Photovoltaikanlagen bebaut. Zwei Gebäude werden durch Wärmepumpen mit Spitzenlastgaskessel versorgt. Für eine CO2-arme Wärmeerzeugung müssen solche hybriden Systeme so ausgelegt werden, dass die Wärmepumpe einen möglichst hohen Deckungsgrad erreicht und der Gaskessel entsprechend selten anspringt.
Mehrere Konzepte durchgetestet
Fraunhofer ISE
In einem der Gebäude kommt das System mit kombinierten Wärmequellen zum Einsatz. Drei weitere Gebäude sind mit einem Nahwärmenetz verbunden, das von Erdgas-BHKW versorgt wird. Der erzeugte Strom wird unter anderem für den wirtschaftlichen Betrieb der dezentralen Wärmepumpen verwendet. Wärmepumpen, BHKW und Photovoltaikanlagen sind miteinander verbunden und werden durch ein Energiemanagementsystem so gesteuert, dass die Wärmepumpen möglichst wirtschaftlich mit lokal erzeugtem Strom betrieben werden.
Trinkwasser ist die Herausforderung
Die Ergebnisse können sich sehen lassen. Denn in den ersten sechs Betriebsmonaten erzielte die Hydraulik der beiden Wärmequellen im kombinierten System eine Quelltemperatur von immerhin acht Grad Celsius. Dadurch stieg die Jahresarbeitszahl der damit versorgten Wärmepumpen auf 3,2. Der Gaskessel musste nur die Spitzenlasten abdecken, wobei dessen Anteil an der Wärmeversorgung bei 31 Prozent lag. Der Grund dafür war aber weniger die Heizung, sondern die hygienischen Anforderungen an Trinkwarmwasser.
Vorlauftemperaturen absenken
Durch weitere Optimierungen sei es aber möglich, den Gaseinsatz noch zu verringern und die Arbeitszahl der Wärmepumpe noch zu erhöhen. Doch immerhin kann das modellierte Energiekonzept auf weitere Quartiere mit Bestandsgebäuden übertragen werden. „Die Demonstratoren haben die Machbarkeit der Sanierung von Mehrfamilienhäusern mit Wärmepumpen und Low-Ex-Technologien nachgewiesen. Wichtig ist, sich die jeweilige Situation, einschließlich der Übergabesysteme und des Platzes im Heizungskeller, anzuschauen“, betont Manuel Lämmle von der Uni Freiburg. „Bei der Sanierung sollte unbedingt ein hydraulischer Abgleich des Heizungssystems eingeplant werden und geprüft werden, ob mit dem Austausch einzelner Heizkörper die Vorlauftemperaturen weiter abgesenkt werden können“, rät er. (su)
