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Luft/Wasser-Wärmepumpen mit hoher Energieeffizienz

Neubau von Mehrfamilien- und Geschäftshäusern in Kirchweyhe
Klimaneutrale Wärme

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Im niedersächsischen Kirchweyhe sind zwei Wohn- und Geschäftshäuser mit 22 Einheiten errichtet worden. Der angestrebte KFW-Effizienzhaus-55-Standard wurde dabei weit übertroffen. Verantwortlich für die hohe Effizienz ist ein neuartiges Kaskaden-Wärmepumpen-Konzept, das mit Luft/Wasser-Wärmepumpen die Wärmeerzeugung und Warmwasserbereitung unabhängig von fossilen Rohstoffen übernimmt.

Anforderung:

KfW-Effizienzhaus-55-Standard: Wirtschaftlich, senioren- und umweltgerecht

Lösung:

Kaskadierung von Luft/Wasser-Wärmepumpen (je 11,2 kW Wärmeleistung) mit Verdichtertechnologie plus Speicher


Für energieeffizientes Wohnen muss der Grundstein bereits im ersten Entwurf gelegt werden. Dies erfolgte im niedersächsischen Kirchweyhe mit zwei Wohn- und Geschäftshäusern. Hier hat der Bauherr, das Unternehmen HBK, neben technisch moderner und altersgerechter Ausstattung insbesondere eine nachhaltige Bauweise forciert. In deren Zentrum steht ein Wärmepumpen-Kaskaden-Konzept von Klaus Schierenbeck stammt, Inhaber der ausführenden Fachunternehmen Schierenbeck Gebäudeplanung und Schierenbeck Gebäudetechnik e. K.

Die beiden Gebäude umfassen 20 Wohn- und zwei Gewerbeeinheiten. Letztere befinden sich im kleineren der beiden Häuser (995 m2), ergänzt durch acht Wohneinheiten. Das größere Haus bietet auf einer Gesamtnutzfläche von 1 474 m2 zwölf Wohneinheiten.

Entworfen wurden die Gebäude vom Architekturbüro Planerei in Weyhe unter Federführung von Christoph Maack-Beutin. Als besonders umwelt- und verbrauchsfreundliche Gebäude wurden sie im KFW-Effizienzhaus-55-Standard errichtet. Dabei übertrifft das energetische Gesamtkonzept die Anforderungen der EnEV 2016 für Wohngebäude deutlich.

Minimaler Energiebedarf als Ziel

Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, hat Klaus Schierenbeck, der neben Ausführungsplanung und Technikausführung für die Heizungsanlage auch als Experte für Energieeffizienz zu Rate gezogen wurde, ein anspruchsvolles energetisches Gesamtkonzept erstellt. Es sieht ein umfangreiches Maßnahmenpaket vor, um den Energiebedarf der Gebäude auf ein Minimum zu reduzieren. Beispielsweise kommen an der Fassade Steinwolle-Faserplatten als Außendämmschicht eines WDV-Systems zum Einsatz. „Neben guten Wärmedämmwerten bietet dies zwei weitere Vorteile“, erklärt Schierenbeck: „Erstens ist das Material nicht brennbar und zweitens bietet es einen besonders hohen Schallschutz, der wegen der Nähe zum Bahnhof gefordert war.“

Ein weiterer Baustein sind die Außenjalousien an den Fenstern: Sie wurden nicht wie üblich hinter der Fassade platziert, sondern sind Teil der Außenfassade, um Kopplung und Wärmebrücken zum Innenraum zu unterbinden. Alle Wohnungen sind zudem mit dezentraler Wohnraumlüftung plus Wärmerückgewinnung ausgestattet.

Diese Maßnahmen führen im Ergebnis zu sehr geringen Primär- und Endenergiebedarfen: 17,9 kWh/(m2a) (Primärenergiebedarf) und 10,0 kWh/(m2a) (Endenergiebedarf) für das Gebäude mit zwölf Wohnungen und 19,7 kWh/(m2a) (Primärenergiebedarf) und 10,9 kWh/(m2a) (Endenergiebedarf) für das Gebäude mit acht Wohneinheiten.

Vorteile Luft/Wasser-Wärmepumpen

Die gebäudetechnische Herausforderung bestand darin, eine zukunftsfähige Wärmeversorgung für den gut gedämmten Mehrfamilienhaus-Neubau zu entwickeln. Am Markt stehen dafür unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung, von denen sich jedoch keine so gut für diese Gebäude eignete wie ein Wärmepumpensystem, das die Wärme der Außenluft nutzt. Generell hat jede Wärmequelle für Wärmepumpen ihre Vor- und Nachteile. Unbestrittener Vorteil von Luft/Wasser-Wärmepumpen ist ihre einfache, kostengünstige Erschließung der Wärmequelle.

Für eine Luft-/Wasser-Wärmepumpe sprach auch, dass die Wärmequelle Luft den geringsten baulichen Aufwand von allen Wärmepumpenlösungen erfordert. Denn als Energiequelle entziehen die Wärmepumpen die in der Umgebungsluft enthaltene (latente) Wärme. Moderne Wärmepumpensysteme ermöglichen Arbeitszahlen von über vier und mehr. Das heißt, ein Kilowatt elektrischer Energie wird in vier oder mehr kW Wärmeenergie umgewandelt.

Da die Gebäudeverwaltung einen Ökostromtarif gewählt hat, besteht die gesamte Energieversorgung, also Strom, Heizung, Warmwasser, zu 100% aus regenerativ erzeugten Energien. Zum Einsatz kamen fünf kompakte Ecodan Luft/Wasser-Wärmepumpen von Mitsubishi Electric, die als Zweier- bzw. Dreier-Kaskade im Außenbereich installiert wurden. Jedes der fünf Ecodan Außengeräte verfügt über 11,2 kW Wärmeleistung. Damit decken die beiden Wärmepumpen-Kaskaden die Heizlast von 26,5 kW für das größere und 17,8 kW für das kleinere Gebäude problemlos ab und können gleichzeitig noch genügend Wärme für die Trink-Warmwasserbereitung zur Verfügung stellen.

Die Kaskadierung von Wärmepumpen bringt zahlreiche Vorteile gegenüber einer einzelnen Wärmepumpe mit entsprechend großer Leistung. Denn so können die Einheiten gleichzeitig im Teillastbetrieb arbeiten. Dadurch ergibt sich ein sehr großer Modulationsbereich zwischen minimaler Leistung des Einzelgerätes und maximaler Leistung der Kaskade. Das ist wesentlich effizienter als nur ein Modul in Volllast. Außerdem bietet eine Kaskade eine Redundanzfunktion bei Ausfall oder bei Wartung von Einzelgeräten des Systems und führt so zur erhöhten Betriebssicherheit. Darüber hinaus werden die Gesamtlaufzeiten der Einzelmodule reduziert und die Langlebigkeit erhöht.

Heiztechnik: Einspritzverfahren bei Luft/Wasser-Wärmepumpen plus Speicher

Besonderes Merkmal dieser Heiztechnik ist, dass die Wärmepumpen über eine patentierte Zubadan Verdichter-Technologie verfügen. Das dabei eingesetzte Einspritzverfahren optimiert die verfügbare Heizleistung. Das heißt, die Wärmepumpen können auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen von bis zu minus 15 °C noch 100% ihrer Heizleistung erbringen. Gleichzeitig erweitert sich der untere Einsatzbereich auf bis zu minus 28 °C Außentemperatur, bei dem die Wärmepumpen eine für den Heizbetrieb nutzbare Temperatur zur Verfügung stellen können. So ist es möglich, das Gebäude mit Wärme zu versorgen und auch bei tiefen Außentemperaturen auf Unterstützung eines elektrischen Heizstabes oder auf zusätzlichen Wärmeerzeuger zu verzichten.

Für jede Außeneinheit steht ein Hydromodul im Technikraum zur Verfügung. So können unkompliziert die Heiz- und Wärmepumpenkreisläufe hydraulisch voneinander entkoppelt und gleichzeitig ein konstanter Kältemittelvolumenstrom zu gewährleistet werden.

In jede Anlage ist ein Pufferspeicher eingebunden, der die Wärme nicht nur speichert, bis sie abgerufen wird, sondern auch zur Überbrückung von Sperrzeiten des Stromversorgers stets genügend Wärme bereitstellt. Gleichzeitig hält der Pufferspeicher Energie für die Abtauung der Außenmodule bereit. Die gleichmäßige und als angenehm empfundene Wärmeverteilung erfolgt im Mehrfamilienhaus flächendeckend durch Fußbodenheizung. Als Niedertemperaturheizung eignet sie sich bestens für die Kombination mit einer Wärmeerzeugung über Luft/Wasser-Wärmepumpen, da die geringe Vorlauftemperatur positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad der Anlage hat.

TWW-Bereitung über Speicher und Wohnungsübergabestationen

Zur Trinkwarmwasserbereitung ist in jedem der beiden Technikräume noch ein weiterer Speicher untergebracht. Hier wird bei einer Speichertemperatur von nur 52 °C Brauchwarmwasser für die Trinkwasserbereitung vorgehalten. Zur Verteilung verfügt jede Wohneinheit über eine eigene Wohnungsübergabestation, die parallel zur Heizungsversorgung auch die Trinkwarmwasserdistribution übernimmt. Die Auslauftemperatur in jeder Wohneinheit beträgt 50 °C. Durch die indirekte Übertragung der Wärme auf das frisch gezapfte Trinkwasser (Durchlaufprinzip) entfällt die Gefahr von Legionellen.

Energieeffiziente Split-Klimaanlage

Drei Wohnungen verfügen auf Wunsch der jeweiligen Eigentümer über kompakte Split-Klimaanlagen. Dabei sind zwei Wohnungen mit einem Innen- und einem Außengerät der Diamond-Serie von Mitsubishi Electric ausgestattet und eine Wohnung hat zwei Innen-Klimageräte sowie ein Mr. Slim-Außengerät. Die Diamond-Innengeräte wurden hier nicht nur wegen ihres ansprechenden Designs ausgewählt, sondern auch, weil sie über ausgezeichnete Energieeffizienzwerte verfügen.


Projekt: Zwei Mehrfamilienwohn-/Geschäftshäuser „Cityhof Weyhe“

Architektur: Christoph Maack-Beutin, Planerei – Architektur und Innenarchitektur, Weyhe
www.planerei-bremen.de

Ausführungsplanung, Technikausführung Heizungsanlage, Energieeffizienz: Klaus Schierenbeck, Schierenbeck Gebäudeplanung und Schierenbeck Gebäudetechnik e. K., Schwarme
http://www.schierenbeck-gebäudeplanung.de

 


Energieberater Klaus Schierenbeck: „Das Entscheidende waren hier die deutlich geringeren Investitionskosten gegenüber Erd- oder Sole-Wärmepumpen. Denn da spielten die Luft-/Wasser-Wärmepumpen ihre Vorteile der kostengünstigen und flexiblen Installation voll aus.“


Die hydraulische Einbindung der Wärmepumpen war denkbar einfach. Sie funktioniert wie bei einer herkömmlichen Heizungsanlage: Um die in der Außenluft enthaltene Energie zu nutzen, wird die von den Wärmepumpen aufgenommene Umweltwärme auf ein im geschlossenen Kreislauf zirkulierendes Kältemittel übertragen. Im Kältemittelverdichter wird der Druck erhöht, das Temperaturniveau steigt an, und über einen Wärmeübertrager erfolgt der Energieaustausch vom Kältemittel an das Heizungswasser.


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