Studie: Wärmepumpen für bestehende Mehrfamilienhäuser

Ziel des vorliegenden Beitrags ist die Bewertung möglicher Konfigurationen an Wärmepumpensystemen unter allen relevanten Aspekten. Diese erfolgen anhand zweier konkreter Beispielgebäude, welche dem Wohnungsbestand des projektbegleitenden Beirats entstammen. Es werden zwei Entwicklungsstränge verfolgt: zum einen Wärmepumpenlösungen zum Ersatz von zentralen gebäudeweisen fossilen Erzeugern, zum anderen wohnungsweise Konzepte für den Austausch dezentraler (wandhängender) Gasthermen. Dabei werden unterschiedliche Kriterien berücksichtigt, wie die Effizienz, die elektrische Anschlussleistung, der Platzbedarf (innen/außen), die Investitionskosten und die Außenwirkung (optisch, akustisch). Angesichts des beschleunigten Phase-Outs von konventionellen Kältemitteln wie R410A oder R407c sowie des abzusehenden weitgehenden Verbots neuerer Kältemittel mit persistenten Abbauprodukten (PFAS) fokussieren sich die Arbeiten auf Wärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel Propan, welches diesen Einschränkungen nicht unterliegt.

1. Methodik

1.1. Anwendungen

Nachfolgend sind beide Beispielgebäude kurz beschrieben. Für beide Anwendungen werden jeweils passende Wärmepumpensysteme ausgelegt und bewertet. Dabei fließt die Gebäudegeometrie bspw. auch in die Auslegung des Quellnetzes für dezentrale Wärmepumpen ein.

1.1.1. Zentrale Wärmeversorgung

Das Wohngebäude in Potsdam ist ein Bau aus der Gründerzeit, errichtet im Jahr 1915. Es befindet sich in einem dicht besiedelten urbanen Gebiet mit drei- bis viergeschossigen Blockrandbauten. Die Eckbebauung umfasst insgesamt 18 Wohneinheiten mit einer Gesamtwohnfläche von 1074 m². Im Erdgeschoss befinden sich zwei kleine Gewerbeflächen, die hier als Wohnungen gedacht werden. Das Mansarddach ist vollständig ausgebaut und bewohnt. Aktuell wird das Gebäude mit einer Gaszentralheizung beheizt, die in einem Heizungsraum im Kellergeschoss untergebracht ist [1].

Das Grundstück ist mit 376 m² klein und stellt darum eine Herausforderung für die Erschließung von Erdreich als Quelle sowie die Aufstellung einer Wärmepumpe im Außenraum dar. Nennenswerte energetische Sanierungen wurden am Gebäude bislang nicht durchgeführt. Der simulierte Wärmebedarf liegt bei ~136 MWh bei einer maximalen Heizlast von rund 60 kW. Es wird von einer Belegung mit 27 Personen mit einem täglichen (Norm-)Warmwasserbedarf von 1,45 kWh ausgegangen [2]. Die Zirkulationsverluste werden mit 12,9 kWh/m²a
angesetzt [3], gleichmäßig auf das Jahr aufgeteilt und während der Heizperiode auf den Heizwärmebedarf angerechnet.

1.1.2. Wohnungsweise (dezentrale) Wärmeversorgung

Die untersuchte Wohnbebauung umfasst 23 Wohnungen. Diese sind auf drei getrennt zugängliche, dreigeschossige Gebäudeteile verteilt. Der Großteil der Wohnungen besteht aus kleinen 2-Zimmer-Wohnungen mit einer durchschnittlichen Wohnfläche von 42 m², daneben gibt es wenige 4-Zimmer-Wohnungen mit etwa 80 m². Im nicht ausgebauten Walmdach sind Mieterverschläge untergebracht, und im Kellergeschoss finden sich Lagerräume sowie Waschküchen. Die Beheizung und Warmwasserbereitung erfolgt dezentral über Gasetagenheizungen, die in den Küchen installiert sind. Die Gebäudehülle ist nicht energetisch saniert. Der Energieverbrauch gemäß Energieausweis liegt bei 135 kWh/m²a (Effizienzklasse E), die Normheizlast des Gesamtgebäudes beträgt 77 kW. Die Untersuchung konzentriert sich auf eine der kleineren Wohnungen mit einer Heizlast von 3,3 kW unter Normbedingungen, der Grundriss ist in Abbildung 1 dargestellt. Sowohl die Küche mit 8 m² Fläche als auch das Bad mit 4 m² sind kompakt, es gibt keinen Abstellraum. Dies deutet auf die Herausforderung bei der Unterbringung einer Wärmepumpe mit BWW-Speicher hin. Bezüglich Brauchwarmwasser-Bedarf (BWW) wird eine Belegung mit 2 Personen angesetzt.

1.2. Definition Systemvarianten

Nachfolgend sind alle untersuchten Systemvarianten zusammengestellt. Es wurden ausschließlich monoenergetische Lösungen berücksichtigt.

1.2.1. Zentrale Wärmeversorgung

Tabelle 1 fasst die berücksichtigten Wärmepumpenlösungen für die zentrale Wärmeversorgung zusammen. Die Varianten mit elektrischen Durchlauferhitzern (DLE) in den Wohnungen kommen ohne Warmwasserzirkulation mit den entsprechenden Verlusten aus. Wohnungsübergabestationen erwärmen das Warmwasser dezentral, direkt in den Wohnungen. Demnach fallen diese Systeme unter die Kleinanlagenregelung nach DVGW Blatt 551 und ermöglichen eine reduzierte Temperatur von 50 bis 55 °C im Gebäudenetz und Speicher [4]. In Variante 4 versorgt eine Luft-Sole-Außeneinheit die Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Niedertemperaturwärme. Da der Verdichter somit im Gebäude sitzt, ist von geringeren Geräuschemissionen der Außeneinheit auszugehen. Ebenso sind bei der Aufstellung der Außeneinheit keine R290-bedingten sicherheitstechnischen Anforderungen einzuhalten.

1.2.2. Wohnungsweise (dezentrale) Wärmeversorgung

Tabelle 2 gibt eine Übersicht über die untersuchten Wärmepumpenlösungen zur dezentralen Wärmeversorgung. In den Varianten 1 bis 6 verteilt ein fassadenverlegtes Quellnetz die Niedertemperaturwärme an die Wärmepumpen in den Wohnungen. In Varianten 7 und 8 verfügt jede Wohnung über ein Sole-Split-System. Damit unterliegt die Positionierung der Außeneinheit keinen externen sicherheitstechnischen Einschränkungen und die Wärmepumpe kann als eigensicheres Gerät mit einer R290-Füllmenge unter 152 g ausgeführt werden. Die unterschiedlichen Varianten der Brauchwarmwasser-Bereitung (BWW) sind dem knappen Platzangebot in den Wohnungen geschuldet (s. Abbildung 1 bzw. 2). DLE lassen sich i.d.R. problemlos unterbringen. Speicher bis 60 l sind im Baumaß von Gasthermen realisierbar, 120 l lassen sich in Weißgeräte-Dimensionen unterbringen.

1.3. Datengrundlage für die ­Bewertung

Im Folgenden ist für unterschiedliche Kriterien, die bei der Bewertung von Wärmepumpenlösungen für bestehende Mehrfamiliengebäude relevant sind, die Datengrundlage erläutert. Zur vergleichenden Darstellung werden die Ergebnisse jeweils auf eine Skala von 1 (schlechtestes Ergebnis) bis 5 (bestes Ergebnis) normiert. Einzelne Kriterien sind nur für die dezentralen Lösungen relevant und werden dementsprechend nur für diese bewertet.

1.3.1. Effizienz

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) der wasserführenden Wärmepumpensysteme wird mithilfe des am Fraunhofer ISE entwickelten Simulationswerkzeugs HEBAP (Heating Energy Balancing Program) dynamisch über ein Jahr berechnet [5]. Dabei werden Lastprofile für Gebäudeheizlast und Trinkwarmwasser als Zeitreihen eingelesen. Die Wärmepumpen werden durch Kennfelder der drei im Projekt entwickelten Prototypen abgebildet, welche mit der Kältekreissimulationssoftware IMST-ART erstellt wurden [6]. Für die Wärmeübergabe wird im Auslegungspunkt eine Temperaturspreizung von 55/45 °C angesetzt, die ggf. durch partiellen Heizkörpertausch erreicht wird.

Sofern für einzelne Systemlösungen nicht anders angegeben, erfolgt die Dimensionierung der Komponenten entsprechend VDI 4645 und für einen Bivalenzpunkt von -5 °C [2]. Für die direktelektrische Trinkwarmwassererwärmung wird ein Durchlauferhitzer mit 98 % Wirkungsgrad angenommen.

Luft/Luft-Systeme können mit dem bestehenden Programm nicht berechnet werden. Daher wird deren Effizienz folgendermaßen abgeschätzt: Aus allen vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) als förderfähig gelisteten Wärmepumpen wird jeweils für Luft/Wasser-Geräte mit dem Kältemittel R290 (bei 55 °C) und Luft/Luft-Wärmepumpen mit Heizleistungen zwischen 3 und 12 kW die mittlere jahreszeitbedingte Raumheizeffizienz ermittelt und in den SCOP umgerechnet [7]. Für die 511 gelisteten R290-Geräte in diesem Leistungsbereich ergibt sich dabei ein mittlerer SCOP von 3.54, für die 135 Luft/Luft-Geräte ist der Mittelwert 4.64. Die Differenz (1.09) wird auf die dynamisch simulierte JAZ der Luft/Wasser-Wärmepumpe aufgeschlagen und das Ergebnis als JAZ des Luft/Luft-Systems angesetzt. Da sich Luft/Luft-Systeme nicht zur Beheizung von Badezimmern eignen, wird für dieses flächenanteilig mit einer direktelektrischen Heizung gerechnet.

1.3.2. Platzbedarf (innen)

Bei den zentralen Systemen definiert sich der Platzbedarf als Summe der Aufstellfläche für Speicher und Wärmepumpe. Grundlage ist die Komponentenauslegung für die dynamischen Simulationen (s. Kapitel 1.3.1). Da die einbringbare Größe von Komponenten im Bestand durch bestehende Durchgänge, Türmaße und Deckenhöhen limitiert ist, wird das maximale Volumen einzelner Speicher auf 800 l begrenzt. Größere Volumina müssen auf mehrere Einheiten aufgeteilt werden. Um die Dämmung und hydraulische Anbindung zu berücksichtigen, wird vereinfachend für jeden Speicher eine Aufstellfläche von 1 m² angesetzt. Die Aufstellfläche der Wärmepumpen wird von dem im Projekt entwickelten Prototypen abgeleitet. Diese benötigen rund 0,5 m² bei 30 kW Nennwärmeleistung. Um die Zugänglichkeit zu berücksichtigen, wird jedoch ebenfalls eine Fläche von 1 m² angesetzt. Es können bis zu zwei Wärmepumpen übereinander angeordnet werden.

Bei den dezentralen Systemen ist das Bauvolumen (Summe aus Wärmepumpe und Speicher) ausschlaggebend. Aufgrund des i.d.R. knappen Platzangebots werden die in Abbildung 2 dargestellten Varianten berücksichtigt. Ausgangspunkt ist das Bauvolumen der bestehenden Gastherme (typischerweise rund 450 mm x 350 mm x 750 mm, BxTxH). Wärmepumpenlösungen, die keinen zusätzlichen Bauraum erfordern (V0), erhalten die bestmögliche Bewertung von 5. Der Platzbedarf für elektrische Durchlauferhitzer wird dabei als vernachlässigbar angenommen. Bei V1 wird das Bauvolumen der Gastherme für einen Speicher mit 60 l genutzt, die Wärmepumpe wird dabei in einem kleinen Beistellgerät umgesetzt. V2 beinhaltet einen 120 l Speicher, der sich in Weißgeräte-Dimensionen umsetzen lässt, das Bauvolumen der Gastherme wird dabei frei. In V3 wird die Wärmepumpe anstelle der Gastherme positioniert und der Speicher wie in V2 ausgeführt.

1.3.3. El. Anschlussleistung

Die elektrische Anschlussleistung wird als Maximalwert der elektrischen Bezugsleistung bei der dynamischen Simulation (Kapitel 1.3.1) definiert und beinhaltet den Bezug durch die Wärmepumpe(n) und direktelektrische Heizeinheiten.

1.3.4. Komfort innen (nur dezen­trale Systeme)

Der thermische Komfort der Wärmeübergabesysteme (Radiator bzw. Heizkonvektor) wird durch Literaturquellen gegeneinander bewertet. Ergänzend werden Angaben zum Schallleistungspegel aus von marktverfügbaren Geräten aus der Eurovent-Datenbank herangezogen.

1.3.5. Außenwirkung (akustisch/optisch)

Die Bewertung der Außenwirkung beinhaltet die Anzahl sichtbarer Komponenten (Außeneinheiten) sowie die zu erwartenden Schallemissionen. Eine größere Zahl sichtbarer Komponenten beeinträchtigt das optische Erscheinungsbild des Gebäudes und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Lärmbelastung, somit wirkt sie sich negativ auf die Bewertung aus. Gerade bei hohen Leistungen sind in aller Regel die Verdichter für den Gesamtschallleistungspegel von Luft-Wärmepumpen ausschlaggebend [8]. Daher erhalten Monoblock-Außeneinheiten, die ja sowohl Verdichter als auch Ventilator(en) enthalten, eine geringere Bewertung als reine Luft/Sole-Außeneinheiten.

1.3.6. Flexibilitätspotenzial

Voraussetzung für Flexibilitätspotenzial ist Speicherkapazität. Speicher für die BWW-Bereitung sind ganzjährig genutzt und bieten daher das höchste Potenzial. Heizungs-Pufferspeicher können nur während der Heizperiode zur Lastverschiebung genutzt werden. Daher wird die Kapazität der BWW-Speicher gegenüber den Heizungspuffern doppelt gewichtet. Die Kapazität des Gebäudes ist in den betrachteten Varianten jeweils identisch und fließt daher nicht in die Bewertung ein.

1.3.7. zeitlich gestaffelte Renovierung möglich (nur dezentrale Systeme)

Bei der wohnungsweisen Umrüstung auf Wärmepumpen kann es von Vorteil sein, wenn dies unabhängig voneinander erfolgen kann. So kann bspw. eine Wohnung bei defekter Therme bereits umgerüstet werden, während funktionierende Gasthermen in anderen Wohnungen weiterbetrieben werden. Die Lösungen, bei denen auch die Umgebungswärmequelle (Luft) dezentral erschlossen wird, erhalten hier die höchste Bewertung (5). Im Fall von Quellnetzen werden zumindest diese einmal verlegt, wobei nicht alle Wohnungen gleichzeitig angeschossen werden müssen. Zentrale Luftaußeneinheiten können grundsätzlich kaskadiert und somit gestaffelt errichtet werden. Aufgrund des hohen Aufwands für die Errichtung von Erdsonden ist diese Variante hier nicht realistisch. Varianten mit elektrischem Durchlauferhitzer erfordern ggf. eine aufwändige(-re) Ertüchtigung der Elektrik, daher werden diese Varianten einen Punkt schlechter bewertet als solche mit BWW-Bereitung durch Wärmepumpen.

Lesen Sie in Teil 2 alles über Investitionskosten, unterschiedliche Systemvarianten und die Ergebnisse der Studie.

Danksagung

Das Projekt LCR290 wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz unter dem Förderkennzeichen 03EN4046 gefördert. Auch dem Industriebeirat danken wir für eine gute Zusammenarbeit und die Unterstützung.

Literatur

[1] Uhl, A. Propan-Wärmepumpen in Bestands-Mehrfamilienhäusern: Eine interdisziplinäre Betrachtung: Masterarbeit, 2024.

[2] Verein Deutscher Ingenieure.VDI 4645, Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern - Planung, Errichtung, Betrieb: = Heating systems with heat pumps in single and multi-family houses - planning, construction, operation, Ausg. deutsch/englisch; Beuth Verlag GmbH: Berlin, 2023.

[3] Loga, T.; Diefenbach, N.; Knissel, J.; Born, R. Entwicklung eines vereinfachten, statistisch abgesicherten Verfahrens zur Erhebung von Gebäudedaten für die Erstellung des Energieprofils von Gebäuden, 2005 (accessed on 4 December 2024).

[4] DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. - Technisch-wissenschaftlicher Verein. DVGW W 551: Drinking water heating and drinking water piping systems - Technical measures to reduce Legionella growth - Design, construction, operation and rehabilitation of drinking water installations; DVGW, 2004.

[5] Bongs, C.; Wapler, J.; Dinkel, A.; Miara, M.; Auerswald, S.; Lämmle, M.; Hess, S.; Kropp, M.; Eberle, R.; Rodenbücher, B.; et al.
LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden („LowEx-Bestand Analyse). Abschlussbericht, 2023.

[6] IMST-ART v4.10 Release @ IMST-ART. Available online: http://www.imst-art.com/?p=612 (accessed on 4. November 2024).

[7] Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle. Liste der förderfähigen Wärmepumpen mit Prüf-/Effizienznachweis, Eschborn, 2024 (accessed on 1 March 2024).

[8] Braungardt, S.; Gindre, T.; Oltersdorf, T.; Troll, A. Testing campaign on the energetical and acoustical behaviour of a heat pump - part 2. Montreal, Quebec, August 24th-30st.