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Niedrig-Exergie-Konzepte
Wärmepumpen im Mehrfamilienhausbestand: Über 50 Prozent CO₂-Einsparungen möglich
Mehrfamilienhäuser im Bestand werden mehrheitlich mit fossilen Energieträgern beheizt. Würden hier vermehrt Wärmepumpen eingesetzt, könnte klimafreundlicher und unabhängiger von fossilen Energieträgern geheizt werden. Wie dies möglich ist, haben Forschende im Projekt „LowEx Bestand“ untersucht. Der Abschlussbericht wurde jetzt veröffentlicht.
Rund die Hälfte der Wohnungen in Deutschland befindet sich in Mehrfamilienhäusern. Diese wurden in großer Zahl vor der ersten Wärmeschutzverordnung (1979) errichtet, vor allem in den 60er und 70er Jahren. Gebäude, die vor der ersten Wärmeschutzverordnung (1979) errichtet wurden, verursachen in Deutschland heute insgesamt rund zwei Drittel des Energiebedarfs im Gebäudesektor. Für den Erfolg der Energiewende gilt es, die Wärmeversorgung dieser Bestandsgebäude durch nachhaltige Technologien zu sichern. Besondere Herausforderungen in Mehrfamilienhäusern sind hier die Nutzbarmachung von Umweltwärme (Wärmequelle), die Weiternutzung von Übergabesystemen für die Raumwärme und die Bereitstellung von Trinkwarmwasser (Wärmesenke).
Im Forschungsprojekt „LowEx Bestand – LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden“ haben das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Lösungsansätze für den Einsatz von Wärmepumpen im Mehrfamilienhausbestand analysiert und demonstriert.
Kategorisierung von Gebäuden und Systemlösungen
Die Forschenden definierten im Projekt beispielhafte Typgebäude mit unterschiedlichem Sanierungsstand. Dabei stützten sie sich auf eine Analyse des deutschen Mehrfamilienhausbestands und auf Demonstrationsgebäude im Projekt. Die Typgebäude zogen das Wissenschaftsteam zur simulationsbasierten Untersuchung von Wärmepumpensystemlösungen heran. Der Fokus der Analysen lag auf Gebäuden, welche in den aggregierten Baualtersklassen 1958 bis1978 und 1979- bis 994 zusammengefasst sind. Die detaillierte Beschreibung und Parametrierung dieser Typgebäude zur Nutzung in weiteren Forschungsprojekten ist auf der Projektwebsite (unter Download) veröffentlicht.
Wärmepumpensysteme werden in Europa sehr unterschiedlich aufgebaut. Eine Kategorisierung von Systemkonzepten zum Einsatz von Wärmepumpen im Mehrfamilienhausbestand wurde im Rahmen des internationalen IEA HPP „Annex 50: Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern für Raumheizung und Warmwasser“ erarbeitet. Auf Basis einer Vielzahl an zusammengetragenen Systemkonzepten definierten die Forschenden fünf Lösungsfamilien, welche die Wärmepumpensysteme in Basiskategorien von zentralen hin zu dezentralen Lösungen einordnen. Während die zentralen Systeme in Deutschland von hoher Relevanz sind, sind dezentrale Systeme beispielsweise in den Niederlanden stärker vertreten. Eine Beschreibung der Anwendungsgebiete der unterschiedlichen Lösungsfamilien findet sich auf der Website des IEA HPP Annex 50.
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Absenkung von Systemtemperaturen anstreben
Wärmepumpen werden effizienter, wenn die Systemtemperaturen auf der Senkenseite der Wärmepumpe, sprich bei der Wärmeübergabe, gesenkt werden. Bestands-Mehrfamilienhäuser werden zu über 90 Prozent mit Heizkörpern beheizt. Meist kommt hier ein relativ altes Wärmeverteilungssystem zum Einsatz. Wird ein Gebäude saniert, reduzieren sich nicht nur der Wärmebedarf und somit die Heizkosten. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Temperaturen im Heizsystem bei der Wärmeübergabe abgesenkt werden können. Dies ist bereits bei Gasbrennwertgeräten vorteilhaft, bei Wärmepumpensystemen jedoch noch ausgeprägter.
Beim Einsatz von Wärmepumpensysteme im Bestand sollte die Weiternutzung von vorhandenen Heizungsverteil- und -übergabesystemen geprüft werden. Eine niedrig-investive Maßnahme, um Systemtemperaturen abzusenken, ist der selektive Austausch von Heizkörpern in den Räumen, für die nach Absenkung von Systemtemperaturen eine Unterversorgung erwartet wird. Dies setzten die Expertinnen und Experten in LowEx-Bestand-Demonstrationsgebäuden im Smarten Quartier Karlsruhe-Durlach um. In den Gebäuden (30 Wohneinheiten, Baujahr 1963, Teilsanierung 1995) wurde beispielsweise durch Austausch von 7 Prozent bis 9 Prozent der Heizkörper eine Absenkung der Systemtemperaturen auf 55/45 °C unter Normbedingungen ermöglicht. Dabei steigt die erwartete Jahresarbeitszahl des Außenluft-Wärmepumpensystems um 0,13 mit jedem Grad Absenkung der energetisch gewichteten mittleren Heizkreistemperatur.
In den zwei mit Wärmepumpen versorgten Mehrfamiliengebäuden in Karlsruhe-Durlach setzten die Forschenden darüber hinaus neuartige Quellensysteme um. In einem Gebäude werden die Wärmequellen Außenluft und Erdreich mit dem Ziel kombiniert, durch ein kleiner dimensioniertes Erdsondenfeld auch in dichter Siedlungsstruktur Erdwärme zu nutzen. Die Regelung dieses Mehrquellen-Wärmepumpensystems befindet sich derzeit in der erweiterten Inbetriebnahme. In einem zweiten Gebäude sammelt ein PVT-Kollektorfeld Wärme ein, die auf der Quellenseite der Wärmepumpe genutzt wird.
Sanierung und Gebäudetechnik ganzheitlich denken
Nicht immer tritt die Sanierung der Gebäudehülle zeitgleich mit einem Austausch der Heizungstechnik auf. Hybridsysteme, die eine Wärmepumpe mit einem Gasbrennwertgerät kombinieren, bieten die Möglichkeit bereits vor Hüllsanierung schon signifikante Anteile des Wärmebedarfs über die Wärmepumpe zu decken. Diesen Zusammenhang wiesen die Expertinnen und Experten im LowEx-Bestand-Demonstrator der Wohnungsgesellschaft Adorf/Vogtland nach.
Ein Hybrid-Wärmepumpensystem mit einer neu entwickelten Regelungsstrategie und einer relativ klein dimensionierten Außenluft-Wärmepumpe wurde hier vor der Gebäudesanierung installiert. Die Wärmepumpe stellte im unsanierten Gebäude in der Heizsaison (Januar bis März 2021) zwischen 50 Prozent und 83 Prozent der Raumwärme zur Verfügung und war damit bereits der dominierende Wärmeerzeuger. Nach Sanierung (Heizsaison 2021/2022) wurde eine nahezu vollständige Deckung der Raumwärmeerzeugung über die Wärmepumpe erzielt. Im Falle einer zeitlichen Entkopplung von Hüllsanierung und Erneuerung des Heizsystems, kann der Einsatz eines Hybridsystems im Mehrfamilienhausbestand bedenkenswert sein.
Wärmepumpen: Effizient mit vorhandenen Heizsystemen kombinierbar
Das Fraunhofer ISE und die Universität Freiburg (INATECH) haben die Betriebsmodi und Wirtschaftlichkeit von Hybridsystemen und monoenergetischen Wärmepumpensystemen für die im Projekt definierten Typgebäude untersucht. Unter den (vor der gegenwärtigen Energiekrise) getroffenen Annahmen zur Entwicklung von Strom- und Gaspreisen erzielen monoenergetische Systeme und Hybridsysteme im sanierten Altbau über die Lebensdauer und unter Berücksichtigung derzeitiger Förderung eine vergleichbare Wirtschaftlichkeit. Dabei können über die Lebensdauer in allen betrachteten Systemkombinationen kumulierte CO2,äqu-Einsparungen von über 50 Prozent im Vergleich zu einem Brennwertkessel erzielt werden.
Mit Reduktion des Verhältnisses der Energiebezugskosten von Strom und Gas (von 3,7 vor der Energiekrise auf etwa 2,2 bei aktuellem Abschluss eines Energieliefervertrags) wird die Außenluft-Wärmepumpe im hybriden System auch bei bezugskostenoptimiertem Betrieb über den gesamten Betriebsbereich zum bevorzugten Wärmeerzeuger. Die Wärmepumpe im Hybridsystem sollte daher so dimensioniert sein, dass sie nach Sanierung in der Lage ist, den Heizwärmebedarf annähernd vollständig decken zu können.