Lösung vom Fraunhofer ISE: Propan-Wärmepumpen ersetzen Gas- und Ölheizungen

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE treibt mit seinem Projekt „LC R290“ die Entwicklung zukunftsweisender Heizlösungen voran. Im Fokus steht dabei der Austausch veralteter Gas- und Ölheizungen in Bestandsgebäuden durch hocheffiziente Propan-Wärmepumpen. In Zusammenarbeit mit 20 Unternehmen aus der Heizungs- und Wohnungswirtschaft hat das Forschungsteam neue Konzepte erarbeitet, die auf der Fachmesse Chillventa in Nürnberg vom 8. bis 10. Oktober der Öffentlichkeit präsentiert werden. Die vorgestellten Lösungsansätze basieren auf ausgewählten Beispielgebäuden, die die Vielfalt des deutschen Immobilienbestands repräsentieren. Diese Objekte dienen als Grundlage, um maßgeschneiderte Propan-Wärmepumpen zu entwickeln, die den unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden.

Die Heizlasten der untersuchten Gebäude variieren erheblich und reichen von 23 bis 93 Kilowatt (kW), was die Notwendigkeit eines breiten Leistungsspektrums zeigt. Eine besondere Herausforderung ist der Umgang mit bestehenden Gasetagenheizungen, insbesondere in kleineren Wohnungen des unteren Preissegments. Dort liegt der Fokus darauf, Lösungen zu erarbeiten, die minimale bauliche Eingriffe erfordern und platzsparend sind.

Wärmepumpen-Innovationen für verschiedene Einsatzszenarien

Im Rahmen des Projekts „LC R290“ konstruiert das Fraunhofer-Team mehrere Demonstrationsmodelle, um den direkten Ersatz fossiler Heizsysteme durch Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern zu erproben. Ein vielversprechender Ansatz ist eine dezentrale Lösung mit hydraulisch erschlossener Wärmequelle, die Geothermie, Solarthermie, Fernwärme, Luftkollektoren oder Niedertemperatur-Wärmenetze nutzt. Ein erster Prototyp wurde bereits im Labor getestet und erreichte mit einer Propan-Füllmenge von lediglich 150 Gramm beeindruckende Ergebnisse.

Dr. Katharina Morawietz, die Leiterin des Projekts, betont die Bedeutung der geringen Kältemittelmenge: „Die Begrenzung auf 150 g Propan ist entscheidend, um das Sicherheitsrisiko beim Einsatz des brennbaren Kältemittels zu minimieren. Dies ermöglicht die Installation der Wärmepumpe in Küchen oder Waschräumen, den typischen Einsatzorten in Wohnungen.“ Der getestete Prototyp erzielte bei einer Quellentemperatur von 0 Grad Celsius (°C) und einer Vorlauftemperatur von 55 °C eine Heizleistung von 6 kW. Seine Jahreseffizienz liegt mit einem SCOP55 (Seasonal Coefficient of Performance) von 3,8 im marktüblichen Bereich für Sole-Wasser-Wärmepumpen.

Heizen mit Wärmepumpen: Zentrale Lösungen für Mehrfamilienhäuser

Ein weiterer Ansatz des Forschungsprojekts fokussiert sich auf zentrale Heizungsanlagen für Mehrfamilienhäuser, die im Keller installiert werden. Auch dabei wird eine hydraulisch erschlossene Wärmequelle geplant, die verschiedene erneuerbare Energiequellen nutzen kann. Ein erster Prototyp dieser zentralen Lösung wurde bereits erfolgreich getestet und lieferte vielversprechende Ergebnisse. Mit einer Heizleistung von 29,5 kW bei einer Quellentemperatur von 0 °C und einer Vorlauftemperatur von 55 °C erreichte das System eine Jahreseffizienz von SCOP55 = 3,65. Dabei wurde eine moderate Propan-Füllmenge von 830 g verwendet.

Computergestützte Berechnungen zur Optimierung deuten darauf hin, dass die Kältemittelmenge auf 800 g reduziert und gleichzeitig die Effizienz durch verbesserte Regelungstechnik auf einen SCOP55 von 3,7 gesteigert werden könnte. Die Umsetzung dieser Verbesserungen steht als nächster Punkt auf der Agenda des Forschungsteams. Parallel dazu wird an einer dritten Variante gearbeitet: einer zentral außen aufgestellten Wärmepumpe für Mehrfamilienhäuser. Ein Prototyp dieser Lösung befindet sich derzeit in der Testphase, wobei erste Ergebnisse noch vor Jahresende erwartet werden.

Wärmepumpen-Forschung: Sicherheit und Effizienz im Fokus

Die kommenden Projektphasen versprechen wichtige Fortschritte in einem weiteren kritischen Forschungsbereich. Dr. Katharina Morawietz erläutert: „Auf unserem Außentestfeld führen wir aktuell Messungen zum Ausströmverhalten von Propan durch. Diese Untersuchungen liefern wertvolle Erkenntnisse zur weiteren Verbesserung der Sicherheit von Propan-Wärmepumpen.“ Ein Ziel ist es, die benötigte Propanmenge auf ein absolutes Minimum zu reduzieren, wobei auf Ergebnisse des Vorgängerprojekts „LC150“ zurückgegriffen wird.

In der Abschlussphase stehen umfangreiche Systemmessungen unter realitätsnahen Bedingungen an. Diese sollen die Geräteeffizienz unter Normbedingungen bestimmen und einen umfassenden Funktionsnachweis der Prototypen erbringen. Dafür kommt das innovative Hardware-in-the-Loop-Verfahren zum Einsatz. Bei dieser Methode wird die reale Wärmepumpe mit einer virtuellen Simulation des Gebäudes, der Nutzer und des Warmwasserspeichers gekoppelt. Dieses Vorgehen ermöglicht präzise Aussagen über das Systemverhalten im Jahresverlauf und eine gründliche Bewertung der Funktionsmuster.

Auf der Chillventa 2024 präsentiert das Fraunhofer ISE neben dem erwähnten Wärmepumpen-Demonstrator auch digitale Lösungen zur vereinfachten Installation von Wärmepumpen für das Handwerk. Zusätzlich werden die neuesten Forschungs- und Entwicklungsergebnisse zu effizienten Großwärmepumpen für industrielle Anwendungen vorgestellt. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Projekt „LC R290“ läuft noch bis Ende Juni 2025 und verspricht, die Heizungstechnik in Mehrfamilienhäusern nachhaltig zu verändern.