Das Fraunhofer ISE arbeitet an einfach anwendbaren Wärmepumpen, die Gas- und Ölheizungen in Bestands-Mehrfamilienhäusern ersetzen sollen. Im laufenden Projekt „LC R290“ wurden bereits zwei mit Propan betriebene Demonstratoren entwickelt: eine dezentrale Lösung als Ersatz für die klassische Gasetagenheizung und eine zentrale, im Keller aufstellbare Wärmepumpenanlage.
Beim Forschungsprojekt LC R290 (Laufzeit: 1/2023 – 6/2025) arbeitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) mit insgesamt 20 Firmen aus der Heizungsbranche und Wohnungswirtschaft zusammen. Das Kürzel R290 steht für das in den Wärmepumpen-Demonstratoren eingesetzte Kältemittel Propan, das ein deutlich geringeres klimaschädigendes Potenzial aufweist als herkömmliche Kältemittel mit fluorierten Treibhausgasen (F-Gase).
Zur Erinnerung: Kältemittel sind extrem flüchtige Stoffe, die bereits bei geringen Temperaturerhöhungen verdampfen und dabei Wärme aufnehmen sowie bei erhöhtem Druck effektiv Wärme abgeben können. Dank dieser Eigenschaften spielen sie in Wärmepumpen eine zentrale Rolle. Im Verdampfer der Anlagen sind es eben diese Stoffe, die dafür sorgen, dass die aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser gewonnene Umweltwärme, deren Temperatur meist nur bei etwa 10 °C liegt, auf ein Niveau angehoben wird, mit dem man Gebäude beheizen kann.
Von Ein- zu Mehrfamilienhäusern
Das vergleichsweise umweltfreundliche Kältemittel Propan ist bei außen aufgestellten Wärmepumpen schon weit verbreitet. In Innenräumen ist das bisher aber nicht so. Aufgrund der Brennbarkeit von Propan gelten hier nämlich strenge Sicherheitsauflagen. Ein Aspekt der Forschung des Fraunhofer ISE bestand von Anfang auch darin, neue Wärmepumpen-Kältekreise zu entwickeln, die sich auch mit Propan sicher in Innenräumen betreiben lassen.
Ein erster Erfolg gelang den Forschenden dabei im Rahmen des Vorgängerprojekts LC150, über das wir bereits im BaustoffWissen-Beitrag „ Wärmepumpe mit Propan-Kältemittel “ berichtet haben. In diesem Projekt wurde der Prototyp einer mit Propan betriebenen
Entscheidend war dabei, dass die Anlage nur maximal 150 g des Kältemittels benötigen durfte und trotzdem in der Lage sein musste, genügend Heizleistung für ein Einfamilienhaus bereitzustellen. Hintergrund: Benötigt eine Wärmepumpe mehr als 150 g Propan-Kältemittel, darf sie in Innenräumen nur unter Einhaltung hoher, kostenaufwändiger Sicherheitsanforderungen installiert werden.
Im Rahmen des im März 2023 abgeschlossenen Projekts LC150 (LC steht übrigens für „low charge“) gelang unter anderem die Entwicklung eines Wärmepumpen-Kältekreises, der mit nur 146 Gramm Propan eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt bereitstellt. Das reicht für herkömmliche Einfamilienhäuser und erlaubt zugleich die Anwendung im Innenbereich.
Im noch bis Mitte 2025 laufenden Projekt LC R290 gehen die Forschenden nun einen Schritt weiter. Ziel ist die Entwicklung umweltfreundlicher und effektiver Propan-Wärmepumpen, die auch in Mehrfamilienhäusern funktionieren.
Zwei Demonstratoren fertig
Die ersten konkreten Ergebnisse des Folgeprojekts präsentierte das Fraunhofer ISE vom 8. bis 10. Oktober auf der Messe Chillventa in Nürnberg. Die erarbeiteten Umsetzungskonzepte basieren auf realen Mehrfamilienhäusern, die das Forschungsteam aus dem Portfolio der am Projekt beteiligten Wohnungsbaugesellschaften ausgewählt hat. Die Auslegungsheizlast der ausgewählten Gebäude variiert zwischen 23 und 93 kW. Das spiegelt die große Verschiedenheit des deutschen Gebäudebestands, und entsprechend groß sollte natürlich auch die Bandbreite an passenden Wärmepumpen sein.
Eine besondere Herausforderung liegt im Umgang mit bestehenden Gasetagenheizungen in Mehrfamilienhäusern. Diese dezentralen Heizungen befinden sich überwiegend in kleinen Wohnungen des niedrigen Mietpreissegments und machen Wärmepumpen-Lösungen notwendig, die wenig Platz erfordern und mit geringem Umbauaufwand zu realisieren sind.
Das Fraunhofer ISE hat für solche Anwendungen einen dezentralen Wärmepumpen-Demonstrator gebaut, der mit unterschiedlichen Wärmequellen arbeiten kann – von der Geothermie über Luftkollektoren und Solarthermie bis hin zu Fernwärme und Niedertemperatur-Wärmenetzen. Dabei wird die Wärme in allen Fällen hydraulisch – also über Flüssigkeiten – erschlossen und an die Wärmepumpe weitergeleitet. Der Demonstrator erreicht eine Heizleistung von 6 kW und arbeitet laut Fraunhofer ISE so effizient wie eine marktübliche Sole-Wasserwärmepumpe.
Für den dezentralen Demonstrator haben die Forschenden übrigens eine Füllmenge von 150 g Propan (R290) verwendet. „Die geringe Füllmenge von150 g ist ein wichtiger Wert, um das Gefahrenpotenzial beim Einsatz des brennbaren Kältemittels Propan zu minimieren und so den Einsatz der Wärmepumpe in Küchen beziehungsweise Waschräumen, den typischen Einsatzorten, zu ermöglichen“, erklärt Projektleiterin Dr. Katharina Morawietz.
Auch für den Anwendungsfall einer zentralen Heizungsanlage, die im Keller eines Mehrfamilienhauses aufgestellt wird, hat das Fraunhofer ISE bereits einen ersten Wärmepumpen-Demonstrator gebaut, der auf der Nürnberger Messe allerdings noch nicht zu sehen war. Er funktioniert mit denselben Wärmequellen wie das dezentrale Modell. Die zentrale Variante erreicht eine Heizleistung von 29,5 kW und arbeitet derzeit mit einer Kältemittel-Füllmenge von 830 g Propan, die im Laufe des Projekts noch auf 800 g Propan gesenkt werden soll. Trotz der erreichten Reduzierung des Kältemittels ist bei einer so großen Anlage also weiterhin eine Füllmenge erforderlich, die in Innenräumen die Einhaltung erhöhter Sicherheitsanforderungen verlangt.
Optimierung von Außenanlagen
Aktuell arbeitet das Fraunhofer ISE noch an einem dritten Demonstrator: eine zentral aufgestellte Propan-Wärmepumpe für den Außenbereich von Mehrfamilienhäusern. In diesem Fall ist das Ziel eine Anlage, die weniger Kältemittel benötigt als herkömmliche Produkte in diesem Segment und die sich zugleich im Winter besser abtauen lässt. Diese Propan-Wärmepumpe soll auf der gleichen Aufstellfläche eine größere Heizleistung erbringen, ohne dass die Sicherheitsanforderungen erhöht werden müssten.
Baustoff-Fachwissen verständlich erklärt: Jetzt Newsletter abonnieren!
Der BaustoffWissen-Newsletter bringt Sie thematisch immer auf den neuesten Stand. Sie erhalten die Branchen-News dann zwei Mal monatlich.
