Luft/Wasser-Wärmepumpen im Altbau

Die Themen Klimaschutz und Energieeinsparung sind mit Blick auf die Baubranche nicht mehr voneinander zu trennen. Seit Jahren stagniert jedoch die Zahl der erstellten Neubauten in Deutschland auf niedrigem Niveau. Grund genug für Architekten und Planer sich nach weiteren Betätigungsfeldern umzuschauen. Dabei gerät der Blick schnell auf den vorhandenen Gebäudebestand. Sowohl aus Klimaschutzgründen als auch aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus bietet die Modernisierung des Gebäudebestands eine Vielzahl an Möglichkeiten, auch ältere Gebäude mit energieeffizienten Wärmeerzeugungsanlagen auszustatten.

Ein großes Potenzial zur Verringerung des Energieverbrauchs birgt das Heizen. Dabei werden oft Lösungen aus umfassender Gebäudedämmung sowie der Modernisierung der Anlagentechnik gewählt. Diese komplexen Maßnahmen erfordern aber eine hohe Investitionsbereitschaft des Eigentümers. Wesentlich günstiger ist es hingegen nur die Umrüstung des Wärmeerzeugers vorzunehmen. Hier ist das Verhältnis von eingesetzten Kapitalmitteln zur eingesparten Energie nämlich am größten. Das gilt besonders für Systeme, die einen Großteil ihrer Energie der Umwelt entnehmen, sogenannte regenerative Wärmeerzeuger, wie beispielsweise Luft/Wasser-Wärmepumpen.

CO₂-Reduzierung

Seit mehr als drei Jahren ist Frank Huwe auf dem Gebiet der energetischen Modernisierung von Bestandsgebäuden aktiv. Als Geschäftsführer der Etapro GmbH, einer Vertriebs- und Beratungsgesellschaft für Energiekonzepte, übernimmt er die Planung und Koordination der einzelnen Gewerke bis hin zur Finanzierungsunterstützung sowie Beantragung von Mitteln aus aktuellen Förderprogrammen. Mit der Heizungsmodernisierung lassen sich die Energiekosten eines Gebäudes erheblich reduzieren. Gleichzeitig ist dies eine wichtige Säule bei der Verringerung des CO₂-Ausstoßes, erläutert Huwe.

Als zentrales Element der energetischen Gebäudesanierung rät der Geschäftsführer 95 % seiner Kunden dazu, in Zukunft ein monovalentes Luft/Wasser-Wärmepumpen-System zu nutzen. Um die Funktionsweise und den Aufbau einer Luft/Wasser-Wärmepumpenanlage exemplarisch zu präsentieren, erstellte Huwe nun ein einfaches und abgestimmtes Modernisierungskonzept für die Heizungsanlage einer, von ihm als Büro gemieteten, um die vorige Jahrhundertwende erbauten Jugendstilvilla in Bonn. Das Gebäude liegt nur rund 200 m vom Ostufer des Rheins entfernt und ist in einen großzügigen Park mit altem Baumbestand integriert. Auf einer Fläche von rund 450 m² bietet es Platz für zwei Wohnungen und das großzügige Büro im Erdgeschoss.

Vier Meter hohe Räume, Original-Fenster aus der Jahrhundertwendezeit und klassisches Backstein-Mauerwerk sind kennzeichnend für dieses unter Denkmalschutz stehende Gebäude. Die Einstufung als erhaltenswürdiges Bauwerk führt allerdings dazu, dass Modernisierungsmaßnahmen oder Veränderungen, insbesondere an der Gebäudehülle oder den Fenstern und der Dacheindeckung wenn überhaupt, nur sehr eingeschränkt und mit erheblichem Aufwand verwirklicht werden können. Eine Dämmung der Gebäudehülle von außen ist deshalb im Grunde genommen ausgeschlossen.

Vorteile der Gebäudesubstanz von Altbauten nutzen

Das Heizungssystem in diesem Gebäude ist geprägt durch deutlich überdimensionierte Heizkörper und Rohrleitungen, die ein entsprechend großes Wasservolumen mit sich bringen. Das bot jedoch einen entscheidenden Vorteil bei der Heizungsmodernisierung: Die Überdimensionierung der Heizflächen sowie das bisher wenig effiziente Überangebot an Heizwärme wurde nun zur Reduzierung der Vorlauftemperatur genutzt, wodurch die Wärmepumpen mit einer sehr hohen Leistungsziffer arbeiten können.

Nach den Erfahrungen von Huwe kann in Gebäuden mit einer Wärmeverteilung durch Radiatoren so gut wie immer eine niedrigere Vorlauftemperatur gefahren werden, um den wirtschaftlichen Einsatz dieser Geräte zu ermöglichen. Das große Wasservolumen des Wärmeverteilungssystems trägt zudem zu einer Verlängerung der Wärmepumpenlaufzeiten bei. Das liegt daran, dass Niedertemperaturheizungen etwas träger reagieren und so häufiges Takten vermieden werden kann. Darüber hinaus bot das Speichervolumen des Hauptgebäudes mit seinen hohen Decken und dem mehrschaligen Ziegelmauerwerk gute Ansatzpunkte, eine gleichmäßige und kontinuierliche Wärmeabgabe zu erreichen.

Dies ist eine gute Voraussetzung, um mit regenerativer Heiztechnik eine weitaus höhere Energiekostenreduzierung als bisher zu erzielen. Ein weiteres Argument ist, dass sich Außenluftwärmepumpen durch erheblich geringere Installationskosten auszeichnen. Beispielsweise können dabei die verhältnismäßig hohen Investitionen für eine Sondenbohrung bzw. die Verlegung von Erdkollektoren eingespart werden. Am und im Gebäude haben wir außer dem Austausch des alten Wärmeerzeugers sowie der hydraulischen Einbindung der beiden Kältemittelkreisläufe in die Wärmeverteilung nichts verändert. Unsere Kunden sind häufig davon überrascht, dass sich eine statische Heizung mit klassischen Radiatoren in Fensternischen mit zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen ohne zusätzliche Hilfsmittel versorgen lässt, so Huwe. Denn schließlich dient die Anlage ja auch als Repräsentationsobjekt.

Energieeinsparung durch Technologievorsprung

Schon zu einem früheren Zeitpunkt hatte eine Umstellung von einem Standard- auf einen Niedertemperaturkessel stattgefunden. Bei der Wärmeerzeugung mit fossilem Brennstoff war das Einsparpotenzial damals nahezu ausgeschöpft worden. Der alte Heizkessel hatte eine Leistung von 46 kW. Der Verbrauch für Heizwärme und Trinkwarmwasser lag im Jahresmittel bei rund 90000 kW/h/a für Erdgas. Zwei Nebengebäude waren im Zuge einer vorangegangenen Renovierungsmaßnahme bereits aus der zentralen Wärmeversorgung ausgekoppelt worden. Der Kessel war damit schon länger erheblich überdimensioniert.

Mit dem Austausch des alten Wärmeerzeugers beispielsweise gegen ein schlichtes Brennwertgerät hätte hier nur wenig Sparpotenzial realisiert werden können. Stattdessen wurde das Hauptgebäude mit zwei 14 kW (15 °C /60 °C) Zubadan Luft/Wasser-Wärmepumpen von Mitsubishi Electric ausgestattet. Die in Kaskade geschalteten Wärmepumpen der Mr.-Slim-Serie vom Typ PUHY-HRP125 versorgen das Gebäude seit Februar 2009 mit Umweltwärme für Heizung und Warmwasser. Die Entscheidung für zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Zubadan-Technologie hing vor allem mit dem Technologie­vorsprung dieser Geräte-Serie zusammen.

Die beiden kompakten Aggregate erzeugen die Wärmeenergie nicht nur mit hochleistungsfähigen Scroll-Verdichtern, sondern werden auch mit Invertertechnologie gesteuert. Darüber hinaus verfügen sie über eine zusätzliche Kältemitteleinspritzung, die dafür sorgt, dass auch bei besonders niedrigen Außenlufttemperaturen die volle Heizleistung erbracht wird. Die Zubadan-Technologie ermöglicht, dass diese Geräte noch bei Außentemperaturen von bis zu 15 °C eine Heizleistung von 100 % erreichen. Die Heizungsanlage in diesem Objekt wird mit einer Auslegungsvorlauftemperatur von 50 °C betrieben, um das Gebäude mit Wärmeenergie zu versorgen.

Die beiden kompakten Geräte wurden auf einem flachen Podest außerhalb des Gebäudes an der Hofmauer zum Nachbargrundstück aufgestellt. In einem Erdgraben verlaufen die Kühlmittelleitungen zum Haus und werden dort durch eine Einführung in den Heizungskeller geleitet. Im Heizungskeller des Untergeschosses, wo früher der Kessel stand, wurden zwei Übergabestatio­nen aufgebaut, bei denen neben den Hochleistungswärmetauschern auch hydraulische Weichen zum Einsatz kommen, um eine optimale Wärmeverteilung zu gewährleisten. Die Weichen mit einem Volumen von jeweils 50 Litern haben darüber hinaus die Aufgabe, den Abtauvorgang zu speisen. Dabei wird im Umkehrschub warmes Wasser zu den Außengeräten geführt, damit diese nicht vereisen.

Da die Wärmepumpen eine Modulationsbreite von 30 bis 100 % aufweisen, liefern sie die Wärme nach Bedarf und nicht auf Vorrat. Deshalb konnte hier auf den Einbau eines Pufferspeichers verzichtet werden. Mit einer Vorlauftemperatur von bis zu 60 °C werden die Wärmepumpen auch für die zentrale Trinkwassererwärmung eingesetzt. Ein 500-Liter-Trinkwarmwasserspeicher, der schon in der alten Anlage in Betrieb war, wurde einfach wieder in die neue Übergabestation eingebunden.

Fazit

Alter und Größe eines Gebäudes sind in der Regel kein Hindernis für den monovalenten Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe wie das Beispiel dieses denkmalgeschützten Gebäudes zeigt. Grundvoraussetzung sind aber Luft/Wasser-Wärmepumpen mit einem hohen Entwicklungsstand, wie der Zubadan-Technologie. Durch die Umstellung der Wärmeerzeugung von fossilen Brennstoffen auf zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen konnte eine deutliche Reduzierung der laufenden Kosten für Heizung und Warmwasser erreicht werden. Durch das neue Energiekonzept können die Kosten um ca. 40 % gesenkt werden. Nach einem Jahr Betriebszeit und der exakten Einstellung aller regelungstechnischen Komponenten, rechnet der Betreiber sogar mit einer Senkung des Verbrauchs um weitere zehn Prozentpunkte. -

Durch den Einsatz der Zubadan-Technologie, auch Flash-Einspritzung genannt, wird die Verdichter­tem­peratur kontrolliert und innerhalb der zulässigen Betriebsgrenzen gehalten. Die Einspritzung sorgt für eine Optimierung des thermodynamischen Kreisprozesses in Bezug auf die verfügbare Heizleistung. Die Technologie ermöglicht so den Betrieb von Wärmepumpen bei Außentemperaturen bis minus 25 °C in monovalenter Betriebsweise. Bei diesem weltweit patentierten Verfahren erfolgt die Einspritzung des Kältemittels in den Kompressor bedarfsabhängig ab einer Außentemperatur von 3 °C und darunter.

Das System besteht aus einem abgezweigten Bypass mit Wärmetauscher, dem sogenannten HIC-Kreislauf, der dem Prozess nach der Kondensation einen Teil des flüssigen Kältemittels entzieht und dieses im Unterkühler teilweise verdampft. Dabei passen sich Volumen und Verhältnis von gasförmigen und flüssigen Anteilen des eingespritzten Kältemittels mit einem Flüssigkeitsanteil von 20 % bis 100 % dynamisch an den tatsächlichen Bedarf im Verdichter an. Dadurch erhöht sich die Enthalpiedifferenz und das Kältemittel kann deutlich mehr Wärme aufnehmen. Bis zu einer Außentemperatur von 15 °C erreichen diese Luft/Wasser-Wärmepumpen deshalb eine Heizleistung von 100 %

Manager Heating bei Mitsubishi Electric, Ratingen