Entwicklung von Wärmepumpenlösungen mit Propan für den Austausch von Gas- und Ölgeräten

Im Projekt »LCR290 - Low charge HP solutions« untersuchte das Fraunhofer ISE gemeinsam mit 20 Unternehmen praxistaugliche Wärmepumpenlösungen mit dem natürlichen Kältemittel Propan (R290). Sie sollen Gas- und Ölheizungen in Bestands-Mehrfamilienhäusern ersetzen – von Etagenheizungen bis zu zentralen Anlagen in Innen- und Außenaufstellung. Die Konzepte berücksichtigen unterschiedliche Gebäude, Wärmequellen und Platzverhältnisse und ebnen den Weg für einen sicheren, effizienten und wirtschaftlichen Hochlauf klimafreundlicher Heiztechnik im Gebäudebestand der Wohnungswirtschaft.

© Fraunhofer ISE
Visualisierung eines Beispielgebäudes mit zentraler Luft-Wasser-Wärmepumpe und dezentraler Brauchwarmwasser-Nacherwärmung.

Ausgangslage

Im Energiesystem der Zukunft werden Wärmepumpen die dominierende Heizungstechnologie sein. Die Wohnungswirtschaft benötigt daher standardisierte Lösungen für typische Anwendungsfälle beim Austausch von Gas- und Ölheizungen in Mehrfamilienhäusern. Propan ist als Kältemittellösung in der Wärmepumpenbranche anerkannt und bei außen aufgestellten Wärmepumpen weit verbreitet. Für Innenräume erforscht das Fraunhofer ISE praktikable Lösungen, da bei Propan-Füllmengen über 150 Gramm besondere Sicherheitsauflagen gelten.

Ziel

Ziel von »LCR290« war die Entwicklung übertragbarer Systemlösungen für den schnellen, sicheren und wirtschaftlichen Einsatz von Propan-Wärmepumpen im Bestands-Mehrfamilienhaus. Im Mittelpunkt standen der wohnungsweise Ersatz von Gasetagenheizungen einerseits, sowie die Umrüstung von fossilen Zentralheizungen durch zentrale Wärmepumpen zur Innen- oder Außenaufstellung. Die Konzepte sollten einen sicheren Betrieb gewährleisten – u.a. durch Reduktion der Kältemittelfüllmengen und eine gute Gesamteffizienz sicherstellen. Daneben waren spezifische Randbedingungen des Mehrfamilienhausbestandes wie gering-intrusiver Umbau im bewohnten Zustand sowie begrenzte Platzverfügbarkeit einzuhalten. Ein direkter Austausch zwischen Herstellern und Wohnungsunternehmen war dabei wichtiger Baustein des Projekts.

Lösungsansatz

Das Fraunhofer ISE analysierte zunächst Beispielgebäude aus den Beständen der beteiligten Wohnungsunternehmen und leitete daraus technische Anforderungen ab. In einem Plattformprojekt mit Herstellern und Wohnungswirtschaft entstanden modulare Konzepte für Wärmequelle, Wärmepumpe, Speicher, Hydraulik, Regelung und Wärmeverteilung. Untersucht wurden dezentrale Etagenlösungen mit hydraulisch erschlossener Quelle sowie zentrale Sole-Wasser- und Luft-Wärmepumpen für die Innen- und Außenaufstellung. Aufbauend auf dem Vorprojekt LC150 reduzierte das Team die Propanfüllmenge und übertrug diesen Ansatz auf höhere Leistungen. Labor-Demonstratoren sowie Effizienz- und Abtauuntersuchungen lieferten die Grundlage für die Leistungsbewertung. Bei mehr als 100 Leckageversuchen bewertete das Team fünf Sicherheitskonzepte. Neben dem normgerechten belüfteten Gehäuse wurden Schornstein- und Drainagekonzepte untersucht. Die Ergebnisse können in Produktentwicklungen der Hersteller und in künftige Planungswerkzeuge einfließen.

Ergebnisse

Für außen aufgestellte zentrale Wärmepumpen konnte ein wurde ein Baumuster entwickelt, dessen Propanfüllmengemit 20 Prozent unter der von vergleichbaren Geräten um 20 Prozent liegt, während die Effizienz um 15 Prozent stieg. Ebenfalls wurde eine kompakte innen-aufgestellte Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 28 kW Heizleistung erarbeitet, welches sich auch in bestehende Keller unter beengten Platzverhältnissen einbringen lässt. Der vorgestellte Demonstrator einer Wohnungswärmepumpe kann mit weniger als 150g Propan bis zu 4,9 kW (B0/W55) Heizleistung bereitstellen und ist deutlich kleiner als eine übliche Gastherme.

Die mehr als 100 Sicherheitsversuche bestätigten das normativ beschriebene Konzept des belüfteten Gehäuses nach EN 378 und IEC 60335-2-40 und bieten Herstellern damit Sicherheit für die Entwicklung neuer Produkte für die Innenaufstellung.

Insgesamt bestätigte das Projekt, dass Wärmepumpen Gas- und Ölheizungen in typischen Bestands-Mehrfamilienhäusern ersetzen können, wenn Wärmepumpe, Speicher, Hydraulik, Regelung und Wärmeverteilung auf das Gebäude abgestimmt werden.

Die Lösungsansätze fließen in das Folgeprojekt »MAMMUT« ein, das Planung, Auslegung und Angebotserstellung für Wärmepumpensysteme im Mehrfamilienhaus vereinfachen soll.