Propan-Wärmepumpe im Mehrfamilienhaus: So lässt sich das Explosionsrisiko beherrschen
Propan ist effizient, aber hoch entzündlich. Fraunhofer ISE hat untersucht, wie sich größere Wärmepumpen dennoch sicher im Keller betreiben lassen.
Ein Heizungsbauer installiert im Keller eines Mehrfamilienhauses die Technik für eine Wärmepumpe. Für Propan-Anlagen in Innenräumen sind dabei besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.
Foto: picture alliance/dpa | Bernd Weißbrod
28 kW Heizleistung, 620 g Propan und eine Aufstellung im Heizungskeller: Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat untersucht, wie sich leistungsstarke Propan-Wärmepumpen auch innerhalb von Mehrfamilienhäusern sicher betreiben lassen. Unter den im Labor geprüften Konzepten schnitt ein aktiv abgesaugtes Gerätegehäuse am besten ab.
Das Grundprinzip ist bereits in der einschlägigen Sicherheitsnorm verankert und wird in der Praxis eingesetzt. Die Forschenden prüften nun, wie zuverlässig es bei größeren Propanmengen und unterschiedlichen Leckagen funktioniert. Das Ergebnis: Wird der Absaugvolumenstrom passend zur möglichen Austrittsrate dimensioniert, lässt sich das Kältemittel kontrolliert ins Freie führen.
Inhaltsverzeichnis
- Warum Propan im Keller zum Problem werden kann
- Propan wird direkt aus dem Gehäuse abgesaugt
- 27 m³/h reichten im Labor aus
- Der Ventilator muss nicht ständig laufen
- Warum Schornstein und Drainage noch nicht ausreichen
- 28 kW Heizleistung mit 620 g Propan
- Etagenwärmepumpen kommen mit weniger Propan aus
- Planungsbüros bevorzugten zentrale Systeme
- Kosten lassen sich noch nicht verallgemeinern
Warum Propan im Keller zum Problem werden kann
Propan wird in der Kältetechnik als R290 bezeichnet. Das natürliche Kältemittel besitzt günstige thermodynamische Eigenschaften und hat nur eine geringe direkte Klimawirkung. Bei außen aufgestellten Wärmepumpen ist es inzwischen weit verbreitet.
R290 gehört allerdings zur Sicherheitsklasse A3. Der Buchstabe A steht für eine geringe Toxizität, die Zahl 3 für eine hohe Brennbarkeit. Tritt Propan aus einem Kältekreislauf aus, sinkt es aufgrund seiner höheren Dichte zunächst nach unten. In einem geschlossenen Keller kann sich dort eine zündfähige Konzentration bilden.
Kleine Etagenwärmepumpen lassen sich so konstruieren, dass sie mit höchstens 150 g Propan auskommen. Für eine Zentralanlage mit rund 30 kW Heizleistung werden jedoch häufig größere Füllmengen benötigt. Dann steigen die Anforderungen an Gehäuse, Lüftung und Aufstellort. Das Forschungsprojekt LCR290 sollte deshalb Lösungen für Etagenheizungen, innen aufgestellte Zentralanlagen und leistungsstarke Außengeräte entwickeln. Es lief von Januar 2023 bis Dezember 2025 und wurde mit 7 Mio. € gefördert.
Propan wird direkt aus dem Gehäuse abgesaugt
Bei dem am weitesten untersuchten Sicherheitskonzept sitzt der Kältekreislauf in einem weitgehend geschlossenen Gehäuse. Ein Ventilator erzeugt darin Unterdruck. Tritt Propan aus, wird es am Boden des Gehäuses erfasst und durch einen Kanal ins Freie geleitet.
Die Sicherheit hängt dabei nicht in erster Linie davon ab, das Propan mit möglichst viel Raumluft zu verdünnen. Entscheidend ist, dass die Absaugung das Kältemittel schneller abführt, als es durch Fugen oder Öffnungen in den Heizungskeller gelangen kann.
Die erforderliche Luftmenge richtet sich deshalb nach der angenommenen Leckagerate. Je schneller Propan austritt, desto leistungsfähiger muss der Ventilator sein. Grundlage des Konzepts ist Anhang GG.4 der Sicherheitsnorm IEC 60335-2-40.
27 m³/h reichten im Labor aus
Für die Sicherheitsversuche verwendete das Fraunhofer ISE eine Propanfüllung von 800 g. Untersucht wurden Austrittsraten von 0,15, 1 und 3,3 g/s. Die Forschenden variierten außerdem Gehäuseöffnungen, Raumlüftung und Absaugleistung.
Mit einem Absaugvolumenstrom von 27 m³/h überschritt die Propankonzentration außerhalb des Gehäuses in keinem der Versuche die untere Explosionsgrenze. Sie bezeichnet die Konzentration, ab der ein Gas-Luft-Gemisch entzündet werden kann.
Bei der höchsten untersuchten Leckagerate von 3,3 g/s verlangte die normative Berechnung mindestens rund 26,4 m³/h. Der Ventilator lag damit nur knapp oberhalb des erforderlichen Werts.
Eine Absaugung mit 9 m³/h genügte dagegen bei größeren Leckagen nicht. In unmittelbarer Nähe des Geräts traten zeitweise zündfähige Gemische auf. Die Versuche bestätigen damit eine klare Grenze: Das Gehäuse allein sorgt noch nicht für Sicherheit. Absaugleistung, mögliche Austrittsrate und Überwachung müssen aufeinander abgestimmt sein.
Die Ergebnisse stammen aus Laborversuchen unter definierten Bedingungen. Ein Langzeitbetrieb des Demonstrators in einem bewohnten Mehrfamilienhaus war nicht Teil des Projekts.
Der Ventilator muss nicht ständig laufen
Fraunhofer untersuchte mehrere Ausführungen des abgesaugten Gehäuses. Bei der einfachsten Variante läuft die Belüftung kontinuierlich. Eine zweite Möglichkeit aktiviert den Ventilator erst, wenn ein Sensor austretendes Propan erkennt. Dadurch sinkt der Stromverbrauch, das System benötigt jedoch eine entsprechend zuverlässige Leckageerkennung.
Eine weitere Variante arbeitet mit einem Rückschlagventil. Es soll verhindern, dass Außenluft oder bereits abgeführtes Gas zurück in das Gehäuse strömt.
Das Fraunhofer ISE bewertet das aktiv belüftete Gehäuse insgesamt als robust, sofern der vorgeschriebene Mindestvolumenstrom eingehalten wird. Das Prinzip selbst ist nicht neu. Neu sind vor allem die systematische Untersuchung unterschiedlicher Betriebszustände und die Übertragung auf größere R290-Füllmengen für Zentralanlagen in Mehrfamilienhäusern.
Warum Schornstein und Drainage noch nicht ausreichen
Eine naheliegende Idee besteht darin, einen stillgelegten Schornstein zur passiven Ableitung des Propans zu nutzen. Der natürliche Auftrieb genügte in den Versuchen jedoch nicht zuverlässig. Zwar gelangte wenig Propan in den Aufstellraum, im Inneren des Gehäuses blieben kritische Konzentrationen aber teilweise lange bestehen.
Auch eine tiefliegende Leitung, durch die das schwere Gas ohne Ventilator nach draußen strömen soll, überzeugte noch nicht. Die Wirkung einer solchen Drainage hängt unter anderem von Leitungsführung, Gefälle, Wind und Druckunterschieden ab.
Diese passiven Lösungen könnten baulich einfacher sein, sind nach den Projektergebnissen aber noch nicht robust genug. Auch die bloße Umwälzung der gesamten Kellerluft ist nur eingeschränkt geeignet. Sie benötigt hohe Luftströme, hängt stark von der Raumgröße ab und kann bodennahe Propanschichten sowie schlecht durchströmte Bereiche nicht zuverlässig verhindern.
28 kW Heizleistung mit 620 g Propan
Neben der Sicherheit untersuchte das Projekt, wie sich die Propanmenge in leistungsstarken Wärmepumpen reduzieren lässt. Der technisch stärkste Demonstrator für die Innenaufstellung erreichte 28 kW maximale Heizleistung mit 620 g R290.
Die Leistung wurde für den Betriebspunkt B0/W55 angegeben. Das bedeutet: Auf der Wärmequellenseite tritt die Sole mit 0 °C ein, auf der Heizungsseite stellt die Anlage Wasser mit 55 °C bereit. Damit zielt das Konzept auch auf Bestandsgebäude, die höhere Heizwassertemperaturen als moderne Flächenheizungen benötigen.
Der berechnete SCOP55 beträgt 4,1. Der SCOP beschreibt die saisonale Effizienz unter standardisierten Bedingungen. Ein Wert von 4,1 bedeutet vereinfacht, dass die Anlage rechnerisch aus 1 kWh Strom rund 4,1 kWh Wärme bereitstellt. Er ist jedoch keine in einem realen Mietshaus gemessene Jahresarbeitszahl.
Eine frühere Variante erreichte 31 kW, benötigte dafür aber 760 g Propan und kam auf einen SCOP55 von 3,7. Die zweite Ausführung verbindet somit eine geringere Füllmenge mit einer höheren berechneten saisonalen Effizienz – bei etwas niedrigerer maximaler Leistung.
Etagenwärmepumpen kommen mit weniger Propan aus
Für den wohnungsweisen Ersatz von Gasthermen entstanden zwei kleinere Demonstratoren. Ein Gerät lieferte 4,9 kW Heizleistung mit 150 g Propan und erreichte einen SCOP55 von 3,8. Ein zweiter Kältekreis kam mit 110 g auf 6 kW und einen SCOP35 von 4,4.
Die Effizienzwerte sind nicht direkt vergleichbar: SCOP35 bezieht sich auf eine niedrigere Heizwassertemperatur als SCOP55. Je niedriger die benötigte Vorlauftemperatur ist, desto effizienter kann eine Wärmepumpe in der Regel arbeiten.
Bei dezentralen Geräten liegt die eigentliche Schwierigkeit häufig nicht im Kältekreis, sondern in der Wärmequelle. Die Wohnungen könnten beispielsweise über ein gemeinsames Niedertemperatur-Quellnetz versorgt werden. Dieses verteilt Umweltwärme aus Erdsonden, einer zentralen Luft-Sole-Einheit oder einer anderen standortabhängigen Quelle an die einzelnen Wärmepumpen.
Planungsbüros bevorzugten zentrale Systeme
Das Fraunhofer ISE ließ für fünf bestehende Mehrfamilienhäuser konkrete Umrüstungskonzepte erstellen. Bei allen drei untersuchten Gebäuden mit dezentralen Heizungen entschieden sich die Planungsbüros für eine Zentralisierung.
Als Vorteile nannten sie geringere Investitions- und Betriebskosten, eine höhere Energieeffizienz sowie einfachere Wartungsabläufe. Das lässt sich allerdings nicht auf jedes Mietshaus übertragen. Neue Leitungen, Wärmequellen, Technikräume und elektrische Anschlüsse können den Umbau erheblich erschweren.
Zudem müssen bei einer Zentralisierung meist mehrere oder sämtliche Wohnungen betreten und die vorhandenen Wärmeverteilungen angepasst werden. Bei Wohnungseigentümergemeinschaften kann deshalb eine schrittweise Umstellung einzelner Wohnungen zweckmäßiger sein.
Kosten lassen sich noch nicht verallgemeinern
Für die fünf Beispielplanungen nennt der Schlussbericht spezifische Investitionskosten zwischen 1575 und 7368,50 €/kW installierter Leistung. Der Mittelwert liegt bei 5665 €/kW.
Diese Werte sind nur eingeschränkt aussagekräftig. Es handelt sich nicht um abgerechnete Bauprojekte, sondern um Planungsstände für sehr unterschiedliche Gebäude und Systeme. Kosten für Planung und eine mögliche Verstärkung des elektrischen Hausanschlusses waren generell nicht enthalten. Bei drei kleineren Projekten fehlten zudem Elektriker-, Fundament- und Erdarbeiten.
Die tatsächlich zu zahlenden Kosten könnten laut Fraunhofer deshalb etwa 10 bis 20 % höher liegen. Aus den fünf Fällen lassen sich weder repräsentative Marktpreise noch belastbare Amortisationszeiten ableiten.
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