13. Juni 2022

Innovative Heizkonzepte: Wärmepumpen im Zusammenspiel mit Solarwärme oder einer Wärmerückgewinnung aus Grauwasser

Die Wärmewende im Mehrfamilienhaus umzusetzen benötigt oft innovative und auch kreative Konzepte. Der Bauverein zu Lünen hat zusammen mit dem Planungsbüro HTP Haustechnik GmbH aus Oberhausen (NRW) genau solche innovativen Pilotprojekte geschaffen: Ein flexibles Zusammenspiel aus Solarkollektoren, Pufferspeicher, Wärmepumpe und Energiespeicher sichert die Wärmebereitstellung in einem 8-Wohneinheiten-Gebäude. Weitere sechs Mehrfamilienhäuser werden mittels Wärmepumpenkaskade und Wohnungsstation über ein „kaltes Netz“ versorgt. Wir stellen die beiden Konzepte vor.

„Ziel ist eine möglichst CO₂-freie Beheizung“, erklärt Dirk Schlenke, Geschäftsführer der HTP Haustechnik GmbH das Projekt Kreuzstraße in Lünen. „Auf dem Dach des Mehrfamilienhauses wurden auf der Ost-/Süd- und Westseite insgesamt 32 Solarkollektoren installiert. Die erzeugte Wärme der Solarkollektoren wird in zwei Pufferspeichern mit je 700 l Volumen über integrierte Solarwendeln vorrangig zwischengespeichert und dem Wärmeverteilsystem im Niedertemperaturbereich mittels Wohnungsstationen auf 45 °C zur Verfügung gestellt.“ Zum Einsatz kommen die Wohnungsstationen „WSG 2 – DUO“ von Stiebel Eltron mit einem integrierten Durchlauferhitzer als Nacherwärmer. Er dient lediglich zur Erreichung einer hohen Schüttleistung im Duschbetrieb und erhöht bei Bedarf die Warmwassertemperaturen an der Küchenspüle.

„An sonnenarmen Tagen und im Nachtbetrieb wird das System von der Wärmepumpenkaskade, bestehend aus zwei Stiebel Eltron „WPL 25 A“, gestützt“, so Schlenke weiter. „Die Wärmepumpe hält die Speicher über den Warmwasserfühler auf Temperatur.“

Die Temperatur in beiden Hauptspeichern darf über die Grundtemperatur von 45 °C gefahren werden, beispielsweise 60 °C. Für die Fußbodenheizung wird die Temperatur in der Wohnungsstation durch Vermischung entsprechend verringert. Bei der Trinkwasserbereitung führt die Überhöhung zu einer höheren nutzbaren regenerativen Warmwasserbereitung, ohne dass der Durchlauferhitzer zugeschaltet werden muss.

Ist die Maximaltemperatur in den Hauptspeichern erreicht, so kann Überschussenergie der Solaranlagen in den 10 000-Liter-Energiespeicher im Keller des Gebäudes geladen werden. „Die dort eingespeicherte Energie wird dem System über ein Umschaltventil im Rücklauf des Wärmeverteilsystems zum Hauptpuffer per Differenzregelung zugeschaltet“, beschreibt Dirk Schlenke das System. „Ist die Temperatur im Energiespeicher höher als im Pufferspeicher, so wird die Umschichtung vom Energiespeicher in die Hauptpuffer eingeleitet.“

Darüber hinaus wurde eine Belademöglichkeit der Wärmepumpen für den Energiespeicher vorgesehen: An sonnenreichen Tagen sollen die Solarkollektoren vorrangig den Energiespeicher laden. Wenn die Leistung an sonnenarmen Tagen nicht zur vollständigen Beladung ausreicht, sollen die Wärmepumpen immer dann nachladen, wenn die Außentemperaturen eine ordentliche Effizienz garantieren. „Hierzu können das Zeitprogramm und die Tag-/Nacht-Temperatureinstellung am Wärmepumpenmanager „WPM“ genutzt werden“, führt Schlenke seine Planung aus. „Die Tagtemperatur im Heizkreis 1 wurde dazu auf ein Raum-Soll von 30 °C eingestellt, die Heizkurve auf 0,6. Damit ist die Rücklauftemperatur bei – 10 °C Außentemperatur mit 50 °C im Speicher als Sollwert vorgegeben. Bei + 10 °C Außentemperatur beträgt der Rücklauf-Soll 42 °C. Der Vorlauf liegt somit 5 – 7 K über dem Speicherniveau der Hauptspeicher, damit eine Zuschaltung möglich wird.“

Wärmerückgewinnung aus Grauwasser für 62 Wohneinheiten
Ein weiteres Projekt des Bauvereins zu Lünen: Im sogenannten Preußen-Quartier entstehen sechs Mehrfamilienhäuser mit insgesamt 62 Wohneinheiten. Der Bauverein plante zur Wärmeversorgung für Heizung und Warmwasser ursprünglich ein mittlerweile übliches energieeffizientes System, bestehend aus einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe „WPL 57“ von Stiebel Eltron zur zentralen Wärmeerzeugung und Frischwasserstationen mit integriertem Durchlauferhitzer „WSG 2 – DUO“, in jeder Wohneinheit. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe soll die beiden Pufferspeicher mit je 700 l Inhalt konstant auf 43 – 45 °C halten. Dieses „kalte Netz“ würde ganzjährig zur Heizungsversorgung über eine Fußbodenheizung reichen und diese Temperatur auch für die Warmwassernutzung über Wärmeübertrager zur Verfügung stellen. Ein elektrische Durchlauferhitzer je Wohneinheit sorgt dann bei Bedarf für höhere Auslauftemperaturen.

Kurzerhand wurde das geplante Gebäude zum Demonstrationsvorhaben: Das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI) Karlsruhe arbeitet unter Beteiligung der Praxispartner, Bauverein zu Lünen und Stadtbetrieb Abwasserbeseitigung Lünen AöR, an dem Thema: „Innovative Wasser–Energie Transition (i.WET): Umsetzung eines innovativen Konzepts als Transitionsschritt hin zu einer zukunftsfähigen Wasserinfrastruktur“.

„Es sollte also für ein Mehrfamilienhaus eine Wärmerückgewinnung aus Grauwasser konzipiert, ausgeschrieben und installiert werden“, beschreibt Dirk Schlenke die Aufgabenstellung. „Diese Anlage wird dann über ein Monitoring ausgewertet und bezüglich der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit für zukünftige Anwendungsfälle analysiert.“

Die Anpassung an die bestehende Planung gestaltete sich jedoch komplexer als angenommen. Aufgrund der ohnehin effizienten Anlagentechnik mit einer Sockeltemperatur von ca. 43 °C in Verbindung mit den Hybrid-Frischwasserstationen kam eine Wärmerückgewinnung aus Grauwasser mit maximalen Temperaturen von ca. 30 °C zur Vorerwärmung des Trinkwassers nicht in Frage. „Die niedrigen Grauwassertemperaturen hätten die Temperatur im Pufferspeicher unnötig abgesenkt“, erklärt Schlenke.

Nach mehreren Lösungsansätzen hat sich eine technische Konzeption als überschläglich effizient, wirtschaftlich und baulich umsetzbar herausgestellt: „Im Gebäude 3 haben wir zusätzlich zur Basistechnik im Technikraum die Wärmerückgewinnung aus Grauwasser installiert“ skizziert Schlenke die technische Lösung. „Hierzu wird das Grauwasser der zehn Duschen im autarken, gedämmten Abwassersystem einem Kunststoff-Kellertank mit einem Volumen von rund 2 m³ zugeführt.“

Nach mehreren Lösungsansätzen hat sich eine technische Konzeption als überschläglich effizient, wirtschaftlich und baulich umsetzbar herausgestellt: „Im Gebäude 3 haben wir zusätzlich zur Basistechnik im Technikraum die Wärmerückgewinnung aus Grauwasser installiert“ skizziert Schlenke die technische Lösung. „Hierzu wird das Grauwasser der zehn Duschen im autarken, gedämmten Abwassersystem einem Kunststoff-Kellertank mit einem Volumen von rund 2 m³ zugeführt.“

In dem Tank ist ein konfektionierter Edelstahl-Wärmetauscher integriert, der primär im direkten Kontakt mit dem Grauwasser steht und somit geringe Wärmeverluste verursacht. Der Wärmetauscher ist rund (Durchmesser 600 mm) und 1200 mm hoch. „Diese Wärmetauscher-Variante haben wir bestehenden Konzepten zur Nutzung von Wärme aus Abwasserkanälen zu verdanken. In vielen Telefonaten mit dem Hersteller sind wir zur jetzt fertigen Ur-Lösung gelangt.“

„Das temperierte Grauwasser wird mittels nebenstehender Sole-/Wasser-Wärmepumpe „WPF 05“ von Stiebel Eltron auf ein Temperaturniveau von rund 50 – 55 °C angehoben und den Wärme-Pufferspeichern zugeführt. Somit ist die Wärmerückgewinnung ganzjährig nutzbar und wirtschaftlich zu betreiben“, schlussfolgert Dirk Schlenke.

Das Projekt „Kreuzstraße“ mit dem Energiespeicher ist bereits fertiggestellt und in Betrieb. Alle Wohnungen sind vermietet. Derzeit wird noch eine Gebäudeleittechnik zur Effizienzkontrolle geplant. Erste verwertbare Ergebnisse werden für 2023 erwarten. Das Gebäude mit der Grauwasseraufbereitung befindet sich in der Ausbauphase und wird voraussichtlich August/September in Betrieb gehen. Hier werden erste Ergebnisse für Ende 2023 erwartet.

www.htp-haustechnik-gmbh.de