Fast die Hälfte der europäischen Gebäude besitzen fossile Heizkessel, die vor 1992 installiert wurden. Mit 46 % Anteil ist Erdgas der größte Primärenergieträger für Heizung und Kühlung. Allein in Wien sind in rund 440.000 Haushalten Gas-Kombithermen bzw. Heizwertgeräte zu Heizzwecken oder zur Brauchwasserbereitung im Einsatz. Die Sanierung solcher Systeme könnte den Energieverbrauch der EU um 5 – 6 % reduzieren und die CO₂ Emissionen um etwa 5 % senken. Dennoch wird im EU-Durchschnitt weniger als 1 % des nationalen Gebäudebestands jedes Jahr saniert. Obwohl im Neubau bereits etabliert und marktführend in der EU, ist die Wärmepumpe in der Sanierung – vor allem im großvolumigen Wohnbau – weit weniger verbreitet. Die Energieeffizienz- und CO₂-Reduktion von Wärmepumpen in diesem Marktsegment werden dadurch gar nicht bzw. nur unzureichend genutzt, weil schlichtweg die einzelnen Haushalte im großvolumigen Wohnbau kaum die Möglichkeit haben auf eine Wärmepumpe umzusteigen. Auf dem Weg zur klimaneutralen Stadt ist die Umstellung von Gas auf umweltfreundliche Wärmepumpen jedoch unumgänglich. Gasthermenersatz setzt genau an diesem Punkt an.

Im Projekt wurde ein Funktionsmuster einer dezentralen, schalloptimierten Wärmepumpenlösung mit seriell- und parallel verschalteten Kältekreis-Modulen entwickelt, gebaut und getestet. Je nach Verschaltung einer bestimmten Anzahl solcher hermetisch abgeschlossenen Kältekreis-Module ergibt sich eine effiziente Betriebsweise nach Heizlastvorgabe und Temperaturanforderungen. Die sich bildende Wärmepumpe stellt eine Drop-In Alternative zur Gastherme im großvolumigen Wohnbau dar. Im operativen Betrieb sind noch ein Wärmespeicher sowie die Erschließung der Wärmequelle erforderlich. Letztere wird optimalerweise gemeinsam genutzt und entweder aus der Außenluft oder Erdwärme bezogen. Beides kann über den nunmehr ungenutzten Kamin geschehen. Die Kommunikation der Wärmepumpe mit Speicher wird über einen Zentral-Regler realisiert. Die „smarte" Kommunikation erlaubt die Ausnutzung aller Synergieeffekte für einen maximalen Dekarbonisierungsgrad.

Zur experimentellen Vermessung wird ein Rack für ein modulares Wärmepumpensystem vorgestellt, das es ermöglicht die Wärmekapazität und Leistung jedes einzelnen Moduls für verschiedene Temperaturstufen und Medien abzurufen. Insgesamt könnten bis zu acht Module installiert werden, wobei die Anschlüsse für vier verschiedene Wärmepumpenmodule im Projekt genutzt wurden. Ein Hauptmerkmal des Racks sind die variablen Kombinationsmöglichkeiten, die sich mit vorinstallierten 3-Wege-Ventilen leicht realisieren lassen, beispielsweise durch parallele oder serielle Verbindung der Module.

Die Entwicklung erfolgte in zwei Iterationsschleifen mit jeweils drei Arbeitspaketen: (1) Konzeptentwicklung (Komponenten-, Modul- und Systemebene; Modellierung in Modelica/Dymola), (2) Laboraufbau (Schnittstellen, Sicherheit, Integration am AIT-Prüfstand) und (3) Laborversuche nach EN 14511 mit automatisierter Messdatenerfassung (LabVIEW, Matlab, Python). Dimensioniert wurde auf Wohnungen bis 130 m² und eine maximale Heizlast von ca. 10 kW. Als Arbeitsmittel wurde das A3-Kältemittel R290 gewählt und durch die Reduktion der Füllmenge pro Modul auf 150 g konnten die Sicherheitsanforderungen gemäß IEC 60335-2-40 vereinfacht werden.

Im Projekt wurden zwei unterschiedliche Modultypen entwickelt und hergestellt: Modul 1.2 (Kolbenkompressor 10 cm³) und Module 2.X (Rotationskompressor 17 cm³; Varianten mit unterschiedlichen Plattenwärmetauschern und Zusatzkomponenten). Die Heizleistung und der COP als Leistungsindikatoren wurden verglichen. Dabei zeigte sich, dass Modul 1.2 bei allen Druckhüben außer der Betriebsbedingung B10/W25 eine bessere Leistung als 2.X erzielte. Im Vergleich der Module mit Rotationskompressor schnitt Modul 2.3 schlechter ab als 2.0 und 2.2, woraus abgeleitet wurde, dass der Verdampfer mit 18 Platten der begrenzende Faktor bei dieser Konstruktion war. Die Isentropen Wirkungsgrade für die Fußbodenheizung und die Warmwasserbereitung lagen sowohl bei Kolben- als auch bei Rotationskompressoren über 0,45. Dennoch haben die Messungen gezeigt, dass die Effizienz des Kolbenkompressors bei höheren Druckverhältnissen besser ist als die des Rotationskompressors. Ein Teil der Abweichung der Messwerte von den Herstellerangaben kann auf Wärmeverluste der nicht isolierten Kälte- und Hydraulikleitungen zurückgeführt werden. Bei hohen Vorlauftemperaturen und geringen Heizleistungen wirken sich diese Verluste verstärkt auf die Ergebnisse aus. Darüber hinaus wurde Optimierungspotenzial bei der Unterkühlung und Überhitzung festgestellt, wodurch eine Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrads erreicht werden könnte, während der allgemeine Trend voraussichtlich beibehalten wird.

Bei Betrachtung des Gesamtsystems der modular aufgebauten Wärmepumpe scheint ein kombinierter Betrieb besser für Anwendungen geeignet zu sein, bei denen sowohl Heizleistung als auch Warmwasserbereitung gleichzeitig erforderlich sind. Die Effizienz des kombinierten Betriebs mit Mitteltemperaturniveau liegt etwas niedriger als im Parallelbetrieb, aber der Vorteil liegt in der gleichzeitigen Nutzung der Wärmequelle für beide Zwecke und einer hohen DHW-Leistung zur schnellen Ladung eines Warmwasserspeichers.

Die experimentellen Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial einer modular aufgebauten Wärmepumpe als eine nachhaltige Lösung für den Ersatz von Gasthermen im Wohnbau. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Wärmepumpenmodul mit einigen technischen Anpassungen noch weiter optimiert werden kann, insbesondere hinsichtlich der Kältemittelfüllmenge und der Bauteilkonfiguration des Kältekreises. Eine erfolgreiche Umsetzung des Konzepts einer dezentralen Wärmepumpe zum Gasthermenersatz wird als realistisch eingestuft und würde Österreichs Rolle als Technologieführer bei innovativen Umwelttechnologien stärken. Ungeachtet dessen bestehen Entwicklungsrisiken in den Bereichen Produktsicherheit (bei Verwendung eines leicht entflammbaren Kältemittels) und Wirtschaftlichkeit, da Gaskombithermen etablierte Produkte sind und seit Jahrzehnten in hoher Stückzahl gefertigt werden. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt tragen zur Weiterentwicklung und Feinabstimmung von modularen Wärmepumpenlösungen bei, die zukünftig einen signifikanten Beitrag im Bereich der erneuerbaren Energien leisten könnten.

Projektleitung

OCHSNER Wärmepumpen GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

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