Die Modernisierung des Gebäudebestands genießt sowohl aus Klimaschutzgründen als auch aus wirtschaftlichen Überlegungen oberste Priorität in der Baubranche. Planer und Unternehmen haben eine Vielzahl an Möglichkeiten, auch ältere Gebäude mit einer energieeffizienten Wärmeerzeugungsanlage auszustatten.
Besonders im Trend liegen Kombinationen, bei denen mehrere regenerative Energien genutzt werden. Aufgrund der Komplexität bei diesen Konzepten ist häufig die Einbeziehung eines Energieberaters erforderlich.
Um den Energieverbrauch eines Gebäudes umfassend zu reduzieren, werden bevorzugt ganzheitliche Lösungen aus umfassender Gebäudedämmung sowie der Modernisierung der Anlagentechnik präferiert. Doch eine Komplettsanierung erfordern erhebliche, oft nicht vorhandene Investitionsmittel. Nicht zuletzt weil der Nutzungsrad eines alten Wärmeerzeugers in einer modernisierten Gebäudehülle noch weiter absinkt, sind Maßnahmen, die vornehmlich auf die Effizienzsteigerung der Anlagentechnik abzielen, in der Regel die günstigere Alternative. Denn mit dem Austausch eines alten Wärmeerzeugers durch neuere Gerätetechnik lassen sich erhebliche Einsparpotenziale bei den Energiekosten realisieren. Das gilt besonders für Systeme, die einen Großteil der Wärmeenergie der Umwelt entnehmen. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen kommt noch der Vorteil geringer Investitionskosten hinzu.
Effiziente Energiekonzepte
Als Geschäftsführer der Etapro GmbH – einer Vertriebs- und Beratungsgesellschaft für Energiekonzepte – ist Frank Huwe seit über drei Jahren auf dem Gebiet der energetischen Modernisierung von Bestandsgebäuden aktiv. Mit seinem bundesweit tätigen Unternehmen übernimmt er die Planung, Koordination der einzelnen Gewerke bis hin zur Finanzierungsunterstützung und Beantragung von Mitteln aus den aktuellen Förderprogrammen. „Die Heizungsmodernisierung im Gebäudebestand ist eine wichtige Säule zur Verringerung des CO2-Ausstoßes. Gleichzeitig lassen sich dadurch die Energiekosten eines Gebäudes erheblich senken“, wirbt Huwe.
Um seinen Kunden die Funktionsweise und den Aufbau einer Luft/Wasser-Wärmepumpenanlage exemplarisch präsentieren zu können, erstellte er ein Modernisierungskonzept für die Heizungsanlage einer, von ihm als Büro genutzten, um die vorige Jahrhundertwende erbauten Villa in Bonn. Das Gebäude liegt nur rund 200 m vom Ostufer des Rheins entfernt und ist in einem weitläufigen Park mit altem Baumbestand eingebettet. Es bietet auf einer Fläche von rund 450 m2 Platz für zwei Wohnungen und ein großzügiges Büro im Erdgeschoss.
Die 4 m hohen Räume, die Original-Fenster aus der Jahrhundertwende und das klassische Backstein-Mauerwerk prägen das Gebäude. Das Denkmalschutzamt stufte es deshalb schon vor Jahren als erhaltenswürdig ein, sodass Modernisierungsmaßnahmen oder Veränderungen, insbesondere an der Gebäudehülle aber auch an den Fenstern und der Dacheindeckung im Grunde genommen nicht oder nur in sehr eingeschränktem Maße und mit erheblichem Aufwand umzusetzen gewesen wären. Vor diesem Hintergrund verzichtete Huwe auf die Installation von Photovoltaikmodulen auf dem Dach des denkmalgeschützten Gebäudes, die oft zu der von ihm bevorzugten Kombination mit Elektro-Wärmepumpen gehören. Stattdessen setzte er auf eine monovalente Lösung mit zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen der neuesten Generation.
Vorteile von Altbauten nutzen
Wie früher üblich, wurde auch in diesem Gebäude die Heizkörperleistung deutlich überdimensioniert, was auch ein großes Wasservolumen im Heizungssystem nach sich zieht. Das bisher wenig effiziente Überangebot an Heizwärme hatte nun bei der Heizungsmodernisierung einen entscheidenden Vorteil: Die Überdimensionierung der Heizflächen konnte in eine Reduzierung der Vorlauftemperatur umgewandelt werden, wodurch die Wärmepumpe mit einer hohen Leistungsziffer arbeitet. Das große Wasservolumen verlängert zudem die Laufzeiten der Wärmepumpe. Nach den Erfahrungen von Huwe kann in Gebäuden mit vergleichbarer Bauweise und mit einer Wärmeverteilung über Radiatoren fast immer ohne grundlegende Änderung eine so niedrige Vorlauftemperatur realisiert werden, dass ein wirtschaftlicher Einsatz von Wärmepumpen möglich ist.
Vorteilhaft für eine gleichmäßige und kontinuierliche Wärmeabgabe ist auch eine Speicherkapazität des Gebäudes. Auch hier bot die Villa mit ihren hohen Decken und dem mehrschaligen Ziegelmauerwerk gute Voraussetzungen, mit regenerativer Heiztechnik eine hohe Reduzierung der bisherigen Energiekosten zu erreichen. Durch die Umstellung von einem Standard- auf einen Niedertemperaturheizkessel war schon zu einem früheren Zeitpunkt der größte Teil des Einsparpotenzials bezogen auf den Energieträger Erdgas ausgeschöpft worden. Der jetzt ersetzte Heizkessel hatte eine Leistung von 46 kW. Der Erdgasverbrauch für Heizwärme und Trinkwarmwasser lag gemittelt bei etwa 90000 kWh/a. Da im Zuge einer vorangegangenen Renovierungsmaßnahme einige Nebengebäude bereits aus der Wärmeversorgung ausgekoppelt worden waren, lag die Kesselleistung mittlerweile erheblich über dem tatsächlichen Bedarf.
Das Gebäude wurde jetzt mit zwei Zubadan (siehe Infokasten) Luft/Wasser-Wärmepumpen von Mitsubishi Electric ausgestattet. Die in Kaskade geschalteten Wärmepumpen der Mr.-Slim-Serie vom Typ PUHY-HRP125 decken jeweils eine Heizlast von 14 kW (–15/60 °C) und beheizen das Gebäude seit Februar 2009. Durch die Vorlauftemperatur von bis zu 60 °C werden die Wärmepumpen auch für die zentrale Trinkwassererwärmung eingesetzt. Die beiden kompakten Außengeräte wurden auf einem flachen Podest außerhalb des Gebäudes an der Hofmauer zum Nachbargrundstück aufgestellt. In einem Graben verlegt gelangen die Kältemittelleitungen in den Heizungskeller.
Zubadan gab den Ausschlag
Im Heizungskeller wurden anstelle des Heizkessels zwei Übergabestationen (parallel) aufgebaut, bei denen neben Hochleistungswärmeübertragern auch hydraulische Weichen mit jeweils 50 l Inhalt zum Einsatz kommen. Neben ihrer Aufgabe der hydraulischen Entkopplung speisen sie auch den Abtauvorgang. Mit einer Modulation von 30 bis 100 % (in der Kaskadenschaltung 15 bis 100 %) kann die Heizlast so genau geregelt werden, dass auf den Einbau eines Pufferspeichers verzichtet werden konnte. Ein 500-l-Trinkwarmwasserspeicher der bisherigen Anlage wurde in der Anlage belassen und in die neue Übergabestation eingebunden.
Die Entscheidung für die Zubadan-Wärmepumpen hing vor allem mit dem Technologievorsprung zusammen: Mit einem hochleistungsfähigen Scroll-Verdichter, Invertertechnologie und zusätzlicher Kältemitteleinspritzung bei besonders niedriger Außenlufttemperatur sind die Luft/Wasser-Wärmepumpen besonders gut zum monovalenten Heizen geeignet. So wird beispielsweise eine Heizleistung von 100 % bis –15 °C Außentemperatur erreicht. Die Heizungsanlage in der Bonner Jugendstilvilla wird mit einer Auslegungsvorlauftemperatur von 50 °C betrieben. Durch das neue Energiekonzept wurden die Heizkosten in den ersten drei Monaten um etwa 40 % gesenkt. Nach einem Jahr Betriebszeit und der exakten Einstellung aller regelungstechnischen Komponenten, erwartet der Betreiber eine weitere Senkung um zehn Prozentpunkte.
Geringer Installationsaufwand
Diese Ergebnisse sind einer der Gründe, warum Huwe 95 % seiner Kunden die Installation einer Luft/Wasser-Wärmepumpe empfiehlt. Ein zweiter: Außenluft-Wärmepumpen zeichnen sich durch vergleichsweise geringe Installationskosten aus. Auch die Kosten für die Erschließung der Wärmequelle sind mit Vergleich zu Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen minimal, insbesondere bei der Außenaufstellung.
Die kostengünstige Wärmeversorgung sowie der geringe Aufwand sind es, womit der Etapro-Geschäftsführer Kunden überzeugt: „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. Alter und Größe eines Gebäudes sind in der Regel kein Hindernis für den monovalenten Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe.“
Fazit
In einem denkmalgeschützten Gebäude wurde eine Reduzierung der laufenden Kosten für Raumheizung und Trinkwarmwasser mit relativ geringem Investitionsaufwand und ohne die Veränderung der Gebäudehülle umgesetzt. Möglich wurde dies durch den Einsatz von zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen. Sie versorgen das Gebäude monovalent auf Niedertemperaturniveau über die bestehende Wärmeverteilung mit Radiatoren. Außenluft als Wärmequelle bot den Vorteil besonders niedriger Investitionskosten. Die vorhandenen Voraussetzungen (Speichermassen und Wasservolumen der Wärmeverteilung) begünstigten die Installation ohne zusätzlichen Wärmeerzeuger und ohne heizungsseitigen Pufferspeicher. Grundvoraussetzung waren Luft/Wasser-Wärmepumpen mit einem hohen Entwicklungsstand.
Zubadan-Technologie
Zubadan ist japanisch und bedeutet Super (Zuba) Heizen (dan). Das Besondere am Zubadan-Kältekreislauf ist ein Flash-Injection-Verdichter. Durch die zusätzliche Kältemitteleinspritzung wird der Kältemittelmassenstrom auch bei tiefen Außentemperaturen stabil gehalten. Die Einspritzung optimiert so im thermodynamischen Kreisprozess die verfügbare Heizleistung: Sie ermöglicht den Betrieb von Wärmepumpen bis zu einer Außentemperatur von –25 °C und stellt dabei monovalent noch 75 % der Heizleistung zur Verfügung. Bei dem von Mitsubishi Electric weltweit patentierten Verfahren erfolgt die Einspritzung des Kältemittels in den Verdichter bedarfsabhängig ab einer Außentemperatur von 3 °C und darunter.
Das System besteht aus einem abgezweigten Bypass mit Wärmeübertrager, dem sogenannten HIC-Kreislauf (HIC: Heat Interchanger). Er entnimmt dem Prozess nach der Kondensation einen Teil des flüssigen Kältemittels und verdampft 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 Zubadan-Wärmepumpen so eine Heizleistung von 100 %.
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Martin Schellhorn
Dipl.-Kfm., Freier Fachjournalist und Inhaber der Fachpresseagentur KommunikationsManagement Schellhorn in Haltern am See und Herne. Telefon (0 23 64) 10 81 99, info@die-agentur.sh
