Alternative für Mehrfamilienhäuser Propan-Wärmepumpe ersetzt Öl- und Gasheizungen

Die neuen Konzepte, die auf der Messe präsentiert werden, basieren auf Beispielgebäuden, die das Forschungsteam aus dem Portfolio der beteiligten Wohnungsbaugesellschaften ausgewählt hat und die Verschiedenartigkeit des deutschen Gebäudebestands abbilden. Diese Beispielgebäude dienen im Projekt „LC R290“ als Vorlage für die Entwicklung verschiedener Propan-Wärmepumpen in Bestands-Mehrfamilienhäusern.

Die Heizlast der Gebäude (Auslegungsheizlast) variiert zwischen 23 und 93 kW, erfordert also eine große Bandbreite an Wärmepumpen, auch im hohen Leistungsbereich. Eine besondere Herausforderung liegt im Umgang mit den bestehenden Gasetagenheizungen. Überwiegend kleine Wohnungen im niedrigen Mietpreissegment machen hier die Entwicklung von Lösungen notwendig, die mit einem möglichst geringem Umbauaufwand und wenig Platzbedarf auskommen.

Im Projekt werden verschiedene Modernisierungsvarianten für die Beispielgebäude gegenübergestellt und die Vor- und Nachteile hinsichtlich der Anlageneffizienz, der propanbedingten Sicherheitsaspekte und des Umbauaufwands abgewogen.

Lösungen für drei Anwendungsfelder

Im Rahmen des Projekts „LC R290“ baut das Team des Fraunhofer ISE mehrere Demonstratoren, um den direkten Austausch von fossilen Heizungsgeräten in Mehrfamilienhäusern durch Wärmepumpen zu erproben. Ein konzeptioneller Ansatz dafür ist eine dezentrale Lösung mit hydraulisch erschlossener Wärmequelle (Geo- / Solarthermie, Fernwärme, Luftkollektor oder Niedertemperatur-Wärmenetz). Hierfür wurde bereits ein erster Demonstrator gebaut und im Labor vermessen. Dabei wurde eine Füllmenge von 150 g Propan (R290) 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 beziehungsweise Waschräumen, den typischen Einsatzorten, zu ermöglichen“, erklärt Projektleiterin Dr. Katharina Morawietz.

Ein weiterer Lösungsansatz im Forschungsprojekt ist eine zentrale, im Keller aufgestellte Heizungsanlage für Mehrfamiliengebäude. Hierfür wird auch eine hydraulisch erschlossene Wärmequelle (Geo- / Solarthermie, Fernwärme, Luftkollektor oder Niedertemperatur-Wärmenetz) geplant. Für die zentral innen aufgestellte Lösung wurde ebenfalls bereits ein erster Demonstrator gebaut und vermessen. Der Demonstrator hat eine Heizleistung von 29,5 kW erzielt, bei einer Quellentemperatur von 0 °C und einer Senkentemperatur von 55 °C.

Über das Jahr gesehen wurde eine Effizienz von SCOP55 = 3,65 ermittelt, mit einer moderaten Füllmenge von 830 g Propan. Softwaregestützte Optimierungsrechnungen legen nahe, dass die Füllmenge auf 800 g Propan reduziert und der SCOP55 auf 3,7 durch Regelungstechnik gesteigert werden könnte (Überhitzungsoptimierung). Dieses Ziel zu erreichen, ist der nächste Schritt im Forschungsprojekt.

Der dritte konzeptionelle Ansatz legt eine zentral außen aufgestellte Wärmepumpe als Heizungslösung für Mehrfamilienhäuser zugrunde. Der erste Prototyp einer solchen Lösung befindet sich gerade in der Vermessung. Erste Ergebnisse werden bis Ende dieses Jahres erwartet.

Ausblick

Die nächsten Projektmonate werden Ergebnisse in einem weiteren wichtigen Forschungsfeld bringen: „Auf dem Außentestfeld des Fraunhofer ISE laufen derzeit Messungen zum Ausströmverhalten von Propan, die Hinweise geben, wie die Sicherheit von Propanwärmepumpen weiter erhöht werden kann“, sagt Morawietz. Die Menge an Propan soll dazu auf ein Minimum begrenzt werden.

Zudem stehen im letzten Projektabschnitt Systemmessungen unter praxisnahen Bedingungen an. Ziel ist die Bestimmung der Geräteeffizienz unter Normbedingungen sowie der umfassende Funktionsnachweis der Mustergeräte. Hierzu wird das sogenannte Hardware-in-the-Loop-Verfahren angewandt. Dabei wird eine reale elektronische oder mechatronische Komponente über ihre Ein- und Ausgänge an ein angepasstes Gegenstück angeschlossen.

Die Wärmepumpe liegt dabei als reales Gerät vor. Das dahinterliegende System – das Gebäude beziehungsweise der Nutzer sowie der Warmwasserspeicher – werden dagegen virtuell abgebildet. So können aussagekräftige Ergebnisse zum Systemverhalten im Jahresverlauf getroffen und die Funktionsmuster umfassend bewertet werden.