Fraunhofer ISE
Ein Forschungsprojekt des Fraunhofer ISE zeigt, dass Propan-Wärmepumpen alte Gas- und Ölheizungen in bestehenden Mehrfamilienhäusern ersetzen können – vorausgesetzt, das System wird passend zum Gebäude ausgelegt.
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).
Es zeigte sich, dass es keine Einheitslösung für den Heizungstausch gibt, sondern dass die Konzepte auf die jeweilige Gebäudegröße, die Platzverhältnisse, das Heizsystem, den Warmwasserbedarf, den Schallschutz und die Sicherheitsanforderungen abgestimmt werden müssen. Das Projektteam untersuchte daher mehrere Modernisierungsvarianten – wohnungsweise sowie zentrale Wärmepumpen zur Innen- und Außenaufstellung. Dabei konzentrierte es sich besonders auf Ansätze, die wenig Umbau erfordern und platzsparend sind.
„Aufgrund der verschiedenen Herausforderungen, etwa der 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“, sagt Projektkoordinator Björn Nienborg vom 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 es die Füllmenge des klimafreundlichen Kältemittels Propan (R290) gegenüber vergleichbaren Wärmepumpen-Geräten um 20 % senkte und gleichzeitig die Effizienz um 15 % steigerte. Daneben erarbeitete das Team ein kompaktes Baumuster einer innen aufgestellten Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Propan und einer Heizleistung von 28 kW (B0/W55). Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf der Reduktion der Füllmenge 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) bauten die Forschenden im Projekt einen Demonstrator (4,9 kW Heizleistung bei B0/W55) und vermaßen ihn im Labor. Dabei kam eine Füllmenge von 150 g Propan zum Einsatz.
„Die geringe Füllmenge von 150 g ist ein wichtiger Wert, um das Gefahrenpotenzial des brennbaren Kältemittels Propan zu minimieren und so den Einsatz der Wärmepumpe in Küchen oder Waschräumen, den typischen Aufstellorten, zu ermöglichen“, erklärt Timo Methler, Teamleiter Gebäude-Wärmepumpen beim Fraunhofer ISE.
Sicherheitskonzepte untersucht
Propan ist aufgrund seines sehr niedrigen Treibhauspotenzials ein klimafreundliches Kältemittel, das jedoch brennbar ist. Daher analysierte das Team bei allen Lösungsvarianten auch Sicherheitsfragen. Eine Anforderung im Projekt war es, mögliche Leckagefälle von Propan bei Innenaufstellung der Wärmepumpen zu untersuchen. Dazu stellte das Team in Ausströmversuchen derartige Fälle experimentell nach und führte mehr als 100 Tests mit fünf unterschiedlichen Sicherheitskonzepten durch. 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 sollen. Die umfangreichen im Projekt gewonnenen 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 zur Auslegung von Wärmepumpensystemen im Mehrfamilienhaus mit direkt angebundener Angebotserstellung – insbesondere für SHK-Betriebe – zu entwickeln.
Darüber hinaus 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. ■
Quelle: Fraunhofer ISE / ml
