FiTNeS - Fassadenintegrierte modulare Split-Wärmepumpe für Neubau und Sanierung

Status

abgeschlossen (Februar 2023)

Ziele, Inhalte und Ergebnisse

Für die Gebäude der Zukunft – sogenannte nZEBs nach EU-Gebäuderichtlinie (EPBD) – sowohl für Neubau als auch für die Sanierung, werden effiziente und kostengünstige Heizungstechnologien benötigt, welche flexibel mit erneuerbaren Energien (d.h. v.a. PV) betrieben werden können. Die Erwartungen an komfortables Innenklima (v.a. auch im Sommer) steigen, gleichzeitig muss die Effizienz im Gebäudebereich erheblich gesteigert werden. Wärmepumpen werden von den meisten Expert*innen als eine der Schlüsseltechnologien im Gebäudebereich gesehen, jedoch ist v.a. im innerstädtischen Bereich und im verdichtenden Wohnungsbau die Erschließung von Wärmequellen stark limitiert.

Am Markt sind entsprechend derzeit keine echten Alternativen zum Gasetagengerät verfügbar. Die dadurch in der Sanierung häufig eingesetzten E-Boiler für Warmwasser sind im Sinne der Energiewende keine akzeptable Lösung und in Anbetracht steigender Strompreise auch zunehmend unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten keine Alternative. Kompakte Wärmepumpen für Heizung bzw. Trinkwarmwasser werden benötigt um in kleinen Wohnungen Gasetagenboiler austauschen zu können. Häufig steht nicht mehr Platz zur Verfügung als der Gasetagenboiler eingenommen hat. Eine vielversprechende Lösung wären sogenannte Mini-Split-Wärmepumpen, weil diese aufgrund der extrem hohen Stückzahl zu geringen Preisen verfügbar sind. Wärmepumpen mit kleinen Leistungen (im Bereich unter 2,5 kW) könnten kompakt und kostengünstig ausgeführt werden und bieten damit neue Möglichkeiten. Eine tatsächliche Alternative stellen diese Systeme aber nur dar, wenn die Akzeptanz dafür durch verbessertes Design, architektonisch attraktive Integration in die Gebäudehülle und deutlich reduzierte Schallemissionen erhöht werden kann.

Im Rahmen Projekts wurden modulare Luft-Wasser Split-Wärmepumpen mit sehr kompakten und leisen fassadenintegrierten Außeneinheiten für Heizung und/oder Trinkwarmwasserversorgung (und optional Kühlung in Verbindung mit PV) entwickelt. Das Konzept zeichnet sich dadurch aus, dass es eine modulare Bauweise mit einem hohen Grad an Vorfertigung ermöglicht und damit eine optisch attraktive, ökonomische und ökologische Lösung vor allem für den thermisch sanierten Mehrgeschoßwohnbau darstellt. Auf Basis der technischen und nichttechnischen Randbedingungen wurden verschiedene Konzepte für fassadenintegrierten Außeneinheiten entwickelt und in Bezug auf Design, Fassadenkonstruktion, Zugänglichkeit (für Wartung), Bauphysik, Effizienz etc. bewertet. Es wurden dabei diverse Konzepte für verschiedene Verdampfer-Ventilatorkonfigurationen und Ventilator-Bauarten untersucht. Aus einer Vorauswahl wurden die besten Konzepte computergestützt (CAE, CFD) im Detail entwickelt und optimiert. Eines der wesentlichen Entwicklungsziele war die Minimierung der Schallemissionen durch eine optimierte Strömungsführung. Dafür wurden Funktionsmuster von kompakten, leisen und optisch attraktiven Außeneinheiten entwickelt und im Labor getestet. Als beste Variante wurde eine Konfiguration mit vertikalem Verdampfer mit vier parallel saugend angeordneten Axialventilatoren weiterentwickelt. Der Prototyp wurde mit einem attraktiven Design mit einer tiefgezogenen Kunststoff-Abdeckung ausgeführt und getestet.

Für den Kältekreis war die Vorgabe die Verwendung eines alternativen Kältemittels. Die Wahl fiel nach einem Screening auf R290 als natürliches Kältemittel mit sehr niedrigem GWP. Es hat gute thermodynamische Eigenschaften und ist für die Split-WP Anwendung geeignet, kostengünstig und es ist keine Verknappung in Sicht. Ausschlaggebend für das Projekt war zudem die hohe Komponentenverfügbarkeit. Die zulässige Füllmenge von 150 Gramm bei Einsatz von R290 als Kältemittel stellt für eine Split-Wärmepumpe eine Herausforderung dar. Für die 1.5 KW Außenluft-Split Wärmepumpe kann die Grenze eingehalten werden. Es wurden Funktionsmuster für eine modulare Split-WP mit einer fassadenintegrierten Außeneinheit gebaut, und diese dann im Labor detailliert vermessen.

Mit dem Ziel eine hochwertige, minimalinvasive serielle Sanierung zu ermöglichen wurden Konzepte mit vorgefertigten Fassaden untersucht und weiterentwickelt. Gerade in den häufig vorkommenden kleinen Wohnungen ist häufig kein Platz für eine Innenaufstellung vorhanden und die Fassadenintegration ist damit eine Möglichkeit solche Sanierungslösungen überhaupt zu ermöglichen. Es wurden dafür mit einem ganzheitlichen und systematischen Ansatz die Aspekte der Bauphysik, der Effizienz, der Primärenergieeinsparung sowie der Praxistauglichkeit (z.B. Wartung) untersucht und optimiert, wobei die architektonische Gestaltung und ein ansprechendes Design im Vordergrund standen. Die Überprüfung der Einhaltung der Effizienz sowie der Behaglichkeitskriterien und der Raumluftqualität erfolgt durch umfangreiche dynamische Gebäude- und Anlagensimulationen mit durch die Labor-Experimente validierten Modelle. Die Umsetzung einer Testfassade mit einer fassadenintegrierten Außeneinheit ermöglichte Schnittstellen zu definieren und praktische Erfahrung bei der Installation zu sammeln. Die Fassade mit der Wärmepumpen-Außeneinheit wurde in einer sog. PASSYS Testzelle installiert und mit Sensoren ausgestattet. Funktionstests wurden durchgeführt.

Für zwei Demonstrationsgebäude wurden Sanierungsvarianten und Konzepte für den Einsatz der entwickelten Wärmepumpe für die Raumheizung, für die Trinkwassererwärmung und für den kombinierten Betrieb untersucht. Durch detaillierte Multi-Zonen Simulationen einer Wohnung in den Gebäuden wurden verschiedene Sanierungsvarianten gegenübergestellt. Ein wesentlicher Faktor für die Effizienz ist die von Art und Größe der Heizkörper abhängige Vorlauftemperatur. Für den zukünftigen Einsatz von Wärmepumpen im sanierten Geschoßwohnbau sind dafür einfache Auslegungs- und Dimensionierungswerkzeuge notwendig.

Die entwickelten Prototypen der dezentralen kompakten Wärmepumpen stellen einen wichtigen Schritt dar, die vielen Gasetagenboiler im Bestand auszutauschen. Die Verbesserung des Designs und Reduzierung der Schallemissionen durch Fassadenintegration der Wärmepumpen-Außeneinheiten wird die Akzeptanz für solche Lösungen stark erhöhen. Für einen breiten Einsatz ist die weitere Arbeit notwendig in Richtung Modularisierung der Komponenten, um flexible Konzepte sowohl für verschiedene Heizungsabgabesysteme als auch Trinkwassererwärmung umsetzen zu können. Weitere wichtige Aufgaben sind bautechnisch einfache Lösungen zur Kopplung der neuen Systeme an existierende Wärmeabgabesysteme (wie Radiatoren), und wettbewerbsfähige Installation durch bessere und verbreiterte Ausbildung von Kältetechnikern bzw. die kombinierte Ausbildung von Kältetechnik und Heizungstechnik.

Auf den Ergebnissen des Projekts FiTNeS baut das Projekt PhaseOut auf. Eine für die Trinkwassererwärmung optimierte Variante wird entwickelt, in einem Demonstrationsprojekt eingesetzt und mit alternativen Wärmepumpen-Systemkonzepten verglichen und bewertet. Die Entwicklung von Geschäftsmodellen für die ganzheitliche thermische Sanierung und den Ersatz von Gasthermen auf Basis der entwickelten dezentralen kompakten Wärmepumpe erfordert die Entwicklung von innovativen Wartungskonzepten.

Projektleitung

Universität Innsbruck, Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• Drexel Solarlufttechnik und Lüftungsbau GmbH
• Innsbrucker Immobilien GmbH & CoKG
• element design - Stephan Breier e.U.
• wInterface GmbH
• Drexel und Weiss Energieeffiziente
• Haustechniksysteme GmbH
• Ingenieurbüro Rothbacher GmbH

Fabian Ochs
Technikerstr. 13
A-6020 Innsbruck
Tel.: +43 (512) 507 63603
E-Mail: fabian.ochs@uibk.ac.at
Web: www.uibk.ac.at/bauphysik