Heizwärme und Trinkwarmwasser in Mehrfamilienhäusern können vielfältig mittels unterschiedlicher Systeme bereitgestellt werden. Soll die Wärmeversorgung möglichst fossilfrei erfolgen, sind Wärmepumpen aufgrund ihrer ausgereiften Technologie und kompakten Bauweise ein wichtiger Baustein dieser Systeme, sowohl im Neubau als auch im Bestand.
Gerade im Bestand und bei Mehrfamilienhäusern kann die Umstellung auf eine Wärmepumpe aber ein sowohl planerisch als auch technisch komplexes Unterfangen sein, für das unterschiedliche Systemkombinationen in Frage kommen. Die nachfolgend dargestellten, beispielhaften Lösungsvarianten bieten diesbezüglich eine erste Orientierung.
Da im Wohngebäudebereich fast ausschließlich elektrisch angetriebene Wärmepumpen zum Einsatz kommen, beziehen sich die folgenden Abschnitte ausschließlich auf elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen.
Zentrale und dezentrale Lösungsvarianten
Die Art der Bereitstellung von Heizwärme und Trinkwarmwasser in Mehrfamilienhäusern kann vielfältig erfolgen: zentral, dezentral, gekoppelt oder getrennt. Bei der Umstellung der Wärmeversorgung auf Wärmepumpen ist eine Vielzahl an Systemkombinationen möglich. Eine Systematisierung dieses Lösungsraums wurde vom Wärmepumpenzentrum (Heat Pump Centre) der Internationalen Energieagentur (IEA) anhand von Beispielen erarbeitet, die in verschiedenen teilnehmenden Ländern umgesetzt wurden. Die dargestellte Kategorisierung und vereinfachte schematische Visualisierung ermöglicht einen Überblick über Wärmepumpenlösungen in Mehrfamilienhäusern. Sie zielt darauf ab, die Komplexität des Lösungsraums zu reduzieren und Orientierung zu geben, wenn die Entscheidung über ein neues Heizsystem ansteht.
Ein wichtiger Punkt bei der Klassifizierung von Wärmepumpensystemen ist die Definition der Integrationstiefe in das Gebäude. Diese reicht von komplett zentralen Systemen für das ganze Gebäude über Etagenlösungen bis hin zu vollständig dezentralen, raumweisen Lösungen. Diese wurden in fünf sogenannte „Lösungsfamilien" gegliedert:
Systematisierung von Wärmepumpenlösungen in Mehrfamilienhäusern
Familie 1: Zentrale Wärmepumpensysteme für das Gesamtgebäude ohne und mit Kombinationen von Kesselanlagen mit gekoppelter und getrennter Trinkwassererwärmung
Familie 2: Kombination von zentralen und dezentralen Lösungen
Familie 3: Wärmepumpen für bestimmte Wohneinheiten
Familie 4: Wohnungsweise Wärmepumpen
Familie 5: Einzelraum-Wärmepumpen
Bauart und Aufstellorte
Bei Außenluft-Wasser-Wärmepumpen lassen sich unterschiedliche Bauarten (Kompaktgerät und Splitgerät) und unterschiedliche Möglichkeiten für den Aufstellort unterscheiden. Bei Kompaktwärmepumpen (auch Monoblock genannt) befinden sich alle Komponenten des Wärmepumpengerätes – wie auch bei Sole-Wärmepumpen – in einem Gehäuse. Diese können innen oder außen aufgestellt werden. Splitgeräte hingegen bestehen aus einer Außen- und einer Inneneinheit, die durch Kältemittelleitungen miteinander verbunden sind.
Die Bewertung der Aufstellvarianten ist von der konkreten baulichen Situation abhängig. Auch für Sole-Wasser-Wärmepumpen bieten sich unterschiedliche Aufstellmöglichkeiten. Die folgende Zusammenstellung zeigt schematisch mögliche Aufstellorte von Wärmepumpen bei zentralen und semi-zentralen Versorgungskonzepten.
Aufstellung der Wärmepumpe im Außenraum
Die Aufstellung von Außenluft-Wasser-Wärmepumpen im Außenraum ist eine etablierte und – bei naher Aufstellung am Gebäude – vergleichsweise günstige Lösung. Bei eingeschränktem Platzbedarf im „Heizungskeller“ ist der bauliche Aufwand bei Außenaufstellung oft geringer. Dabei ist die Schallbelastung im Außenraum zu beachten. Ausschlaggebend für die Schallbelastung ist, neben dem Schallleistungspegel des Gerätes, der Aufstellort und die Nutzung zusätzlicher Lärmschutzmaßnahmen. Eine weitere Herausforderung ist die gestalterische Integration in den Außenraum. Ein ansprechendes Geräte-Design beziehungsweise das Integrieren der Wärmpumpe hinter baulichen Elementen (Zäune, Bepflanzungen, Schuppen u.a.) bieten örtlich angepasste Lösungsansätze.
Als eine Variante der Aufstellung der Wärmepumpe kann eine Heiztechnikzentrale außerhalb des Gebäudes beziehungweise im Erdreich errichtet werden. Das beinhaltet auch die Möglichkeit, die Haustechnikzentrale als vorgefertigte Gesamteinheit anliefern zu lassen und dient zugleich dem Schutz vor Vandalismus.
Aufstellung der Wärmepumpe
im Kellergeschoss
Die Innenaufstellung von Luft-Wärmepumpen erfordert nicht nur Platz für das Wärmepumpengerät, sondern auch für die voluminösen Luftkanäle. Ist ein großer Heizungsraum mit großen Fenstern oder Luftschächten vorhanden, die sich für Luftführung eignen, ist der Aufwand gering. Beengte Platzverhältnisse, komplizierte Luftführungen und Wanddurchbrüche erhöhen den Aufwand teils erheblich oder stehen dem Einbau einer Wärmepumpe im Gebäude entgegen. Bei innen aufgestellten Wärmepumpen ist neben der Übertragung des Schalls über die Luft auch der Weg über das Gebäude selbst (Körperschall) zu beachten und durch Entkopplung zu vermeiden.
Aufstellung der Wärmepumpe im Dachbereich
Die Aufstellung der Wärmepumpe im Dachbereich stellt höhere bauliche und schallschutztechnische Anforderungen als die zuvor genannten Varianten. Dies betrifft sowohl Maßnahmen zur Vermeidung der Körperschallübertragung als auch der Entwicklung und Verbreitung von Luftschall im Außenraum. Zudem ist die Statik des Gebäudes zu beachten. Die Entscheidung für die Art der Wärmepumpe (Monoblock oder Splitgerät) sowie für die Luftführung über Giebelseite und/oder Dachfläche sind von der konkreten baulichen Situation abhängig.
Aufstellung der Wärmepumpe an der Gebäudefassade
Die Wärmeversorgung kann etagenweise über Wärmepumpen im oder am Gebäude erfolgen. Die Wärmeversorgung kann etagenweise über Wärmepumpen erfolgen, die am oder im Gebäude integriert sind. Ein Lösungsansatz sind dezentrale Wärmepumpen in Fassaden-Balkonsystemen, die jeweils mehrere oder alle Wohnungen einer Etage mit Wärme versorgen. Im Zuge einer Hüllsanierung besteht die Möglichkeit mit vorgefertigten Elementen die Gebäudetechnik in die Hülle zu integrieren. Bei Nutzung von Erdreich oder PVT-Kollektoren kann die Rohrleitung in die Fassade integriert werden. Ebenfalls können alte Kaminzüge genutzt werden.
Aufstellung der Wärmepumpe in den einzelnen
Wohnungen
Für den Fall wohnungsweiser Wärmepumpen erfolgt die Aufstellung innerhalb der Wohnungen. In jeder Wohnung wird ausreichend Platz für die Installation der Wärmepumpe benötigt. Außenluft ist die naheliegendste Wärmequelle für wohnungsweise Wärmepumpenlösungen. Abluft kann für bestimmte Anwendungsarten genutzt werden.
Hinweis zu Kondensat
Bei allen Konzepten ist die Abführung von Kondensat zu beachten: Hier gelten teilweise kommunal spezifische Regelwerke zur Behandlung des Kondensats, z.B. ob eine Einleitung ins Abwasser zulässig ist beziehungweise das Kondensat vor Ort versickert werden darf.
Kombination mehrerer Wärmeerzeuger
Im Gegensatz zu kleineren Gebäuden werden in Mehrfamilienhäusern aufgrund der hohen Wärmelast für Raumheizung und Trinkwarmwasser mehrere Wärmeerzeuger kombiniert. Diese werden in unterschiedlichen Betriebsweisen gefahren.
Wird eine Wärmepumpe als alleiniger Wärmeerzeuger vorgesehen, spricht man von einem monovalenten Wärmepumpensystem. Die Wärmepumpe wird auf die zu erwartende Spitzenlast ausgelegt und die Wärmequellenverfügbarkeit muss ganzjährig gegeben sein.
Von einem bivalenten Wärmepumpensystem spricht man, wenn ein zusätzlicher Wärmeerzeuger ins System integriert ist, der einen anderen Endenergieträger als Strom nutzt. Dies kann ein (bestehender) Gas-, Öl- oder Biomassekessel sein. Die Regelung der Anlage erfolgt grundsätzlich nach demselben Prinzip wie beim monoenergetischen System für den Elektroheizstab beschrieben. Es gibt verschiedene Gründe für einen zusätzlichen Kessel:
Die Wärmequellenverfügbarkeit ist nicht ausreichend für ein monovalentes System.
Die Einsatzgrenzen der Wärmepumpe können zeitweise nicht eingehalten werden (beispielsweise Trinkwarmwassertemperatur).
Stufenweise Gebäude- und Anlagensanierung: Wird zunächst nur die Anlagentechnik erneuert und eine Gebäudesanierung zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt, so wird die Wärmepumpe auf den zukünftigen Wärmebedarf ausgelegt.
Minimierung der Betriebskosten: Abhängig von den aktuellen Energiepreisen (z. B. zeitvariabler Stromtarif) und der Effizienz kann der jeweils günstigere Wärmeerzeuger genutzt werden.
Verringerung von Investitionskosten: Im Vergleich zu Wärmepumpe fallen bei einem Kessel geringere Investitionskosten an. Gleichzeitig ist aufgrund des geringen Anteils von Spitzenlastzeiten der Wärmepumpe eine gute Jahreseffizienz des Gesamtsystems machbar.
Erhöhung der Betriebssicherheit der Heizungsanlage bei Ausfall eines Wärmeerzeugers und bei Begrenzung der elektrischen Anschlussleistung des Netzbetreibers.
Die Nachteile einer bivalenten Anlage können in einem höheren Aufwand für die Systemeinbindung liegen, insbesondere wenn Bestandskomponenten (Kessel, Speicher) zu integrieren sind, sowie in höheren Wartungskosten.
Bei einem monoenergetischen Wärmepumpensystem wird nur ein Endenergieträger (Strom) verwendet; zusätzlich ist eine elektrische Direktheizung (Elektroheizstab) integriert. Bei der monoenergetischen Betriebsweise deckt die Wärmepumpe die gesamte Heizwärme bis zu einer definierten Außentemperatur (Bivalenzpunkt). Bei geringeren Außentemperaturen, also höherem Heizwärmebedarf, schaltet sich der Elektroheizstab zu oder ersetzt die Wärmepumpe. Der Elektroheizstab kann zur Trinkwassererwärmung auch unabhängig von der Außentemperatur eingesetzt werden, um die Temperaturerhöhung über der Einsatzgrenze der Wärmepumpe zu übernehmen oder um ungewöhnliche Lastspitzen abzudecken.
Eine monoenergetische Auslegung kann gegenüber dem monovalenten System ökonomisch von Vorteil sein, da der Wärmepumpenteil kleiner dimensioniert werden kann und sich dadurch Investitionskosten reduzieren.
Im Vergleich zu einem bivalenten System ist die Anlage weniger komplex.
Voraussetzung für einen effizienten und wirtschaftlichen Betrieb einer monoenergetischen Auslegung ist, dass die zu erwartenden Betriebszeiten des Elektroheizstabes gering sind.
Trinkwarmwasserversorgung
In Mehrfamilienhäusern stellt die Trinkwarmwasserversorgung eine besondere Herausforderung für den Einsatz von Wärmepumpen dar. Aufgund der langen Leitungssysteme bei zentralen Systemen und der Hygieneanforderungen sind höhere Temperaturen notwendig als in kleineren Gebäuden. Deshalb empfehlen sich der Einsatz eines zweiten Wärmeerzeugers wie einer Hochtemperatur-Wärmepumpe oder eines Gaskessels beziehungweise Maßnahmen zur Temperaturabsenkung bei der Trinkwarmwassererzeugung (TWE), z.B. über Frischwasserstationen.
Hygieneanforderungen
Hygienische Aspekte von Trinkwassererwärmungsanlagen werden nach dem DVGW-Arbeitsblatt W 551 und den Technischen Regeln für Trinkwasserinstallationen DIN 1988-200 behandelt. Darin werden Anlagen in Klein- und Großanlagen unterteilt. Kleinanlagen befinden sich in Ein- und Zweifamilienhäusern und umfassen Anlagen mit Speichergrößen kleiner 400 Liter und einem Leitungsinhalt kleiner 3 Liter zwischen Trinkwasserspeicher und Entnahmestelle.
Im Mehrfamilienhaus-Bereich mit zentraler TWE liegen daher meist Großanlagen vor, bei denen eine permanente Wasseraustrittstemperatur am Trinkwasserspeicher von mindestens 60 °C gefordert ist. Außerdem sind Zirkulationssysteme einzubauen und so zu betreiben, dass die Rücklauftemperatur 55 °C nicht unterschreitet. Der gesamte Trinkwasserinhalt von Vorwärmstufen (z.B. Trinkwasserspeicher) muss mindestens einmal täglich auf 60 °C aufgeheizt werden.
Bei der TWE sind die Hygieneanforderungen einzuhalten, insbesondere die Verhinderung der Vermehrung und Ausbreitung von Legionellen. Dies geschieht in der Regel durch hohe Wassertemperaturen und durch die Reduzierung der Verweilzeit (Stagnation) des erwärmten Wassers im Trinkwassersystem. In Mehrfamilienhäusern erfolgt die Umsetzung üblicherweise durch Erhitzung des Trinkwassers über 60 °C und Zirkulationssysteme. Allerdings verringern hohe Temperaturen die Effizienz des Gesamtsystems.
Neue Konzepte zur Trinkwassererwärmung
Neue Konzepte mit Filtration des Wassers und Verringerung der Leitungslängen durch dezentrale Systeme ermöglichen eine Absenkung der Temperaturen:
Bei der zentralen Durchfluss-TWE wird Heizungswasser in einem Heizungspufferspeicher bevorratet und über ein externes Wärmeübertragersystem (Frischwasserstation) an die Trinkwasserverteilung abgegeben. In der Regel sind Frischwasserstationen vorgefertigte Baugruppen, die Pumpen, Ventile, Plattenwärmeübertrager und die Regeleinheit enthalten. Für große Warmwasserleistungsanforderungen können mehrere Module verschaltet werden. Der Vorteil der Frischwasserstation liegt in der Deckung eines großen Leistungsbedarfs ohne Speicherung von Trinkwasser. Der Nachteil ist, dass die Pufferspeichertemperatur wie bei Kombispeichern um einige Grad höher sein muss, um die Wärmeübertragung zu ermöglichen. Auch hier liegt häufig noch ein Zirkulationssystem hinter der Frischwasserstation, so dass höhere Zirkulationstemperaturen einzuhalten sind.
Bei diesem System werden zwei Plattenwärmeübertrager in Reihe geschaltet. Der Rücklauf aus den Wärmeübertragern der Frischwasserstation kann je nach Betriebsweise (Zirkulation oder Zapfung) unterschiedlich in den Speicher zurückgeführt werden, um die Schichtung im Speicher zu erhalten. Dadurch können kalte und warme Bereiche getrennt werden, was einen hygienischen einwandfreien Betrieb ermöglicht.
Bei diesen Systemen erfolgt die Trinkwassererwärmung dezentral in den einzelnen Wohnungen im Durchflussprinzip mit zentral erzeugtem Warmwasser. Diese Wohnungsstationen können als System zur reinen TWE oder gekoppelt für Raumheizung und TWE ausgeführt werden. Aufgrund der kleinen Wasservolumina gegenüber zentralen Systemen gelten diese Anlagen als Kleinanlagen und dürfen mit geringeren Temperaturen betrieben werden.
Der Einsatz weiterer Technologien zur Vermeidung von Legionellenwachstum, beispielsweisedie Ultrafiltration, kann die Problematik der hohen Trinkwarmwasser (TWW)-Temperaturen bei Wärmepumpensystemen entschärfen. Bei einem zentralen Durchfluss TWE-System wird die Ultrafiltrationseinheit zur mechanischen Filtration von Legionellen in der Zirkulation (Bypass-Betrieb) verbaut. Dadurch kann die Systemtemperatur im TWW-Kreis gesenkt werden. Aufgrund dieser Temperaturabsenkung sinken auch die Speicher- und Verteilverluste in der Trinkwasserinstallation. Vor allem aber kann die Wärmepumpe in einem effizienteren Betriebspunkt arbeiten und den gesamten Wärmebedarf decken.
Da sich der Einsatz der Ultrafiltration noch in einer Übergangsphase mit Erprobung befindet, sind Rahmenbedingungen für den Einsatz zu beachten. So muss z. B. der hygienisch einwandfreie Betrieb im ersten Jahr durch Beprobung häufiger nachgewiesen und aktuell noch das zuständige Gesundheitsamt mit einbezogen werden. Nach einer erfolgreichen Erstuntersuchung kann die direkte Absenkung auf die Zieltemperatur von 47 bis 45 °C vorgenommen werden. Die Ultrafiltration stellt damit einen der aussichtsreichsten Ansätze zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpen im TWE-Betrieb dar. Die Umsetzung mit erhöhten Auflagen ist auch jetzt schon möglich.
Beim seriellen Sanieren wird ein ganzheitliches Konzept für den Umstieg auf erneuerbare Energien und die Steigerung der Energieeffizienz umgesetzt. Wärmepumpensysteme sind dabei von besonderer Bedeutung.
Einige Bestandsgebäude wurden auch im Mehrfamilienhaussegment bereits auf die Versorgung per Wärmepumpe umgestellt. Daraus ergeben sich Lessons Learned und Handlungsempfehlungen für künftige Sanierungsvorhaben.
Eine Photovoltaikanlage ist eine elektrische Anlage zur klimafreundlichen Stromerzeugung aus Sonnenenergie. PV-Anlagen werden bei Gebäuden überwiegend auf Dächern installiert und bestehen im Regelfall aus mehreren Modulen.
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