Hydraulische Entkopplung und Warmwasserhygiene im Bestand: Daikin Altherma 3 H HT im anlagentechnischen Sanierungsfokus

Fossiler Kesseltausch im Wohnbestand: Thermodynamische Herausforderungen und Vorlauftemperaturen

Die Novellierung des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und die novellierten Rahmenbedingungen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) stellen die energetische Sanierung von Bestandsgebäuden vor klare Anforderungen: Mindestens 65 Prozent erneuerbare Energien müssen bei einem Heizungstausch eingebunden werden. In vielen Ein- und Mehrfamilienhäusern der Baujahre 1960 bis 1995 dominieren jedoch konventionelle Radiatorenheizkörper (Glieder- oder Plattenheizkörper Typ 22/33), die bei Auslegungs-Außentemperaturen nach DIN EN 12831 von bis zu -12 °C oder -14 °C Vorlauftemperaturen von 60 °C bis 70 °C erfordern. Ein flächendeckender Austausch gegen Flächenheizungen scheitert im laufenden Wohnbetrieb häufig an Aufbauhöhen, statischen Restriktionen oder Sanierungskosten.

Um die thermodynamischen Verluste bei hohen Temperaturhüben gering zu halten, erfordert der Einsatz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe im Bestandsbau eine präzise Anpassung des Kältekreises und der hydraulischen Einbindung. Daikin begegnet diesem Anforderungsprofil mit der Altherma 3 H HT (High Temperature). Das System wurde gezielt entwickelt, um bestehende Rohrnetze und Heizflächen direkt zu bedienen, ohne dass im Regelfall auf einen elektrischen Heizstab (Backup-Heater) zur Erreichung von Vorlauftemperaturen bis zu 70 °C bei minus 15 °C Außentemperatur zurückgegriffen werden muss.

Der Kältekreisprozess: Dampfeinspritzung und R32-Thermodynamik

Das Kernproblem konventioneller Wärmepumpen bei hohen Vorlauftemperaturen und tiefen Verdampfungstemperaturen ist das Verdichtungs-Druckverhältnis $\Pi = p_c / p_0$, wobei $p_c$ für den Verflüssigungsdruck und $p_0$ für den Verdampfungsdruck steht. Mit steigendem Temperaturhub wächst die Heißgastemperatur am Verdichteraustritt stark an, was herkömmliche Scroll- oder Rollkolbenkompressoren thermisch überlastet und die Zersetzung des Kältemaschinenöls riskiert. Zudem sinkt der massenspezifische Liefergrad $\lambda_l$, wodurch die Heizleistung bei fallender Außentemperatur drastisch einbricht.

Daikin löst diesen physikalischen Zielkonflikt in der Altherma 3 H HT durch einen invertergeregelten Doppel-Rollkolbenverdichter (Swing-Kompressor) mit Kältemitteleinspritzung (Flash-Gas-Injection) und dem Sicherheitskältemittel R32 (Difluormethan, Sicherheitsgruppe A2L gemäß DIN EN 378). R32 zeichnet sich durch eine hohe volumetrische Kälteleistung (rund 1,6-mal höher als R410A) und eine exzellente thermische Leitfähigkeit aus. Die Dampfeinspritzung führt einen Teil des Kältemittelmassenstroms über einen internen Plattenwärmetauscher (Economizer) im Mitteldruckbereich direkt in die Verdichtungskammern zurück.

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|               Dampfeinspritzung (Economizer)                |
|                                                             |
|   Kondensator (Platten-WT) ---> Economizer ---> Exp.-Ventil |
|              |                      |           (Verdampfer)|
|              v                      v                       |
|     Flüssigleitung          Mitteldruck-Gas                 |
|                                     |                       |
|                             Injektion Verdichter            |
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Dieser Zwischenkühlungseffekt senkt die Heißgastemperatur effektiv ab und stabilisiert den Kältemittelmassenstrom durch den Verflüssiger. Dadurch wird selbst bei widrigen Umweltbedingungen eine kontinuierliche Vorlauftemperatur von bis zu 70 °C rein thermodynamisch über die Kompressionsarbeit bereitgestellt.

Carnot-Wirkungsgrad und Gütegrad im Hochtemperaturbetrieb

Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad eines linkslaufenden Kreisprozesses wird durch den Carnot-COP (Coefficient of Performance) bestimmt:

$$COP_{Carnot} = \frac{T_{warm}}{T_{warm} - T_{kalt}}$$

Bei einer Außentemperatur von -7 °C ($T_{kalt} = 266,15,\text{K}$) und einer erforderlichen Vorlauftemperatur von 65 °C ($T_{warm} = 338,15,\text{K}$) ergibt sich rechnerisch:

$$COP_{Carnot} = \frac{338,15}{338,15 - 266,15} = \frac{338,15}{72} \approx 4,70$$

Reale Wärmepumpen erreichen einen exergetischen Gütegrad ($\eta_{ex}$) von typischerweise 0,45 bis 0,55, bedingt durch isentrope Verluste im Verdichter, Druckverluste in den Plattenwärmetauschern sowie unvermeidbare Grädigkeiten (Temperaturdifferenzen) an den Wärmeübertragern. Für das System ergibt sich bei A-7/W65 ein realer COP von etwa:

$$COP_{real} = \eta_{ex} \cdot COP_{Carnot} \approx 0,50 \cdot 4,70 = 2,35$$

Sinkt die geforderte Vorlauftemperatur durch optimierten hydraulischen Abgleich nach VDI 2073 auf 55 °C ab ($T_{warm} = 328,15,\text{K}$), steigt der Carnot-COP auf:

$$COP_{Carnot} = \frac{328,15}{328,15 - 266,15} = \frac{328,15}{62} \approx 5,29$$

Der reale COP klettert folglich auf rund 2,65 bis 2,80. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, auch im Altbau mit Hochtemperaturwärmepumpen jedes Kelvin Vorlauftemperaturabsenkung konsequent hydraulisch auszuschöpfen.

Hydraulische Einbindung im Bestand: Weiche, Trennpuffer und Volumenstromsicherung

Ein Hauptproblem bei der Umrüstung von Gas- oder Ölfeuerungen auf Wärmepumpentechnik liegt im geforderten Nennvolumenstrom. Während fossile Kessel mit Spreizungen von $\Delta T = 15$ bis $20,\text{K}$ und vergleichsweise geringen Umlaufwassermengen arbeiten, verlangen Wärmepumpenverflüssiger zur Gewährleistung eines turbulenten Strömungsregimes (hohe Nußelt-Zahlen am Plattenwärmetauscher) eine Spreizung von maximal $\Delta T = 5$ bis $7,\text{K}$. Das bedeutet eine Verdreifachung des Nennvolumenstroms im Erzeugerkreis.

$$\dot{V} = \frac{\dot{Q}}{\rho \cdot c_p \cdot \Delta T}$$

Bei einer Heizlast von $\dot{Q} = 14,\text{kW}$ und einer Spreizung von $\Delta T = 5,\text{K}$ ergibt sich:

$$\dot{V} = \frac{14.000,\text{W}}{1000,\frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \cdot 1,163,\frac{\text{Wh}}{\text{kg}\cdot\text{K}} \cdot 5,\text{K}} \approx 2.408,\frac{\text{l}}{\text{h}} = 2,41,\frac{\text{m}^3}{\text{h}}$$

Ein bestehendes Rohrnetz mit DN20- oder DN25-Leitungen kann diesen Volumenstrom oft nicht ohne unzulässig hohe Druckverluste ($\Delta p > 200,\text{Pa/m}$) und störende Strömungsgeräusche aufnehmen. Schließen zudem Thermostatventile im Teillastbetrieb fremdwärme- oder nutzerbedingt, droht der Mindestvolumenstrom der Wärmepumpe zu unterschreiten. Die Folge sind Hochdruckabschaltungen des Kältekreises oder Takten des Inverters.

Daikin empfiehlt für solche Sanierungsfälle standardisierte Hydraulikschemata:

1. Hydraulische Weiche oder 4-Rohr-Pufferspeicher: Komplette hydraulische Entkopplung von Erzeuger- und Verbraucherkreis. Der Primärkreis hält den geforderten Mindestvolumenstrom konstant aufrecht, während sekundärseitige Hocheffizienzpumpen die Heizkreise bedarfsgerecht versorgen.
2. Rücklauf-Reihenspeicher mit Überströmventil: Ein kleinerer Pufferspeicher im Rücklauf vergrößert das wirksame Anlagenvolumen für den Abtauprozess (Defrosting), während ein druckdifferenzgesteuertes Überströmventil den Mindestvolumenstrom sichert, wenn die Heizkreisventile schließen.

| Hydraulikkonzept | Primär-Volumenstrom | Investitionsaufwand | Effizienzverlust durch Mischung | Eignung für Radiatoren-Bestand | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | Direktanbindung ohne Puffer | Kritisch (erfordert offene Kreise) | Sehr niedrig | Keiner (0 K) | Nur bedingt (strenge Vorprüfung nötig) | | Rücklauf-Reihenspeicher | Teilgesichert (Überströmventil) | Gering bis moderat | Minimal (< 1 K) | Hoch (bei abgeglichenem Netz) | | Parallelpuffer (Hydr. Weiche) | Vollständig entkoppelt | Moderat | Leicht (1 bis 3 K Temperaturhub) | Sehr hoch (bei unklaren Rohrdimensionen) |

Warmwasserbereitung und Trinkwasserhygiene: Das Daikin Sanicube- und Ech2o-Prinzip

In Sanierungsobjekten stellt die Warmwasserbereitung einen sensiblen Punkt dar. Gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 551 müssen Trinkwassererwärmungsanlagen in Großanlagen (z. B. Mehrfamilienhäusern) am Speicheraustritt eine Mindesttemperatur von 60 °C aufweisen, um das Legionellenwachstum zu unterbinden. In Einfamilienhäusern sind zwar niedrigere Temperaturen zulässig, das Hygienerisiko bei unzureichendem Wasserwechsel bleibt dennoch bestehen.

Daikin setzt bei der Altherma-Plattform auf die drucklosen thermischen Speicher der Baureihe Altherma ST (Ech2o-Prinzip). Im Gegensatz zu konventionellen Trinkwasserspeichern, bei denen ein großes Volumen Brauchwasser dauerhaft warmgehalten wird, dient der Ech2o-Behälter als reiner Wärmespeicher, der mit inertem, sauerstoffarmem Heizungswasser befüllt ist.

Das Trinkwasser selbst wird im hygienischen Durchlaufprinzip über einen großzügig dimensionierten Edelstahl-Wellrohrwärmetauscher erwärmt. Beim Öffnen des Zapfhahns fließt kaltes Frischwasser durch den Wellrohrtauscher und erwärmt sich nach dem Gegenstromprinzip auf die gewünschte Temperatur. Da das im Tauscher befindliche Trinkwasservolumen gering ist (typischerweise unter 10 bis 15 Liter), wird das Wasser bei jedem Zapfvorgang vollständig ausgetauscht. Stagnationsbedingte Legionellenbildung ist physikalisch nahezu ausgeschlossen. Das erlaubt es Anwendern, die Speichertemperatur im Alltag energetisch günstig bei 48 °C bis 52 °C zu fahren, was die Jahresarbeitszahl (JAZ nach VDI 4650) des Systems um rund 0,3 bis 0,4 Punkte verbessert.

Akustikoptimierung im urbanen Umfeld: TA Lärm und Bauformen

Ein wesentlicher limitierender Faktor beim Einsatz von Luft-Wasser-Wärmepumpen in dicht bebauten Wohnsiedlungen ist die Schallemission. Nach den Vorschriften der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) dürfen die Immissionsrichtwerte in reinen Wohngebieten nachts 35 dB(A) und in allgemeinen Wohngebieten 40 dB(A) vor dem maßgeblichen Fenster schutzbedürftiger Räume nicht überschreiten.

Die Altherma 3 H HT wurde akustisch von Grund auf optimiert. Das Außengerät verfügt über einen vergrößerten Einzelventilator mit aerodynamisch angepasster Schaufelgeometrie, der bei reduzierter Drehzahl einen hohen Luftdurchsatz liefert. Ergänzt wird die Konstruktion durch eine dreifache Schalldämmung des Swing-Kompressors und ein speziell gestaltetes Frontgitter, das Schallreflexionen bricht. Der Schallleistungspegel $L_{w,A}$ liegt im Standardbetrieb bei lediglich 54 dB(A). Im schallreduzierten Nachtmodus lässt sich der Schalldruckpegel in 3 Metern Entfernung auf unter 35 dB(A) absenken. Damit erfüllt das System selbst bei enger Grenzbebauung von weniger als 3 bis 4 Metern die gesetzlichen Immissionswerte, ohne dass zusätzliche bauliche Schallschutzhauben erforderlich sind.

Förderpraxis und Netzdienlichkeit nach § 14a EnWG

Im Rahmen der BEG-Förderung über die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) können Eigentümer beim Umstieg auf moderne Wärmepumpensysteme bis zu 70 Prozent der förderfähigen Kosten (gedeckelt auf maximal 30.000 Euro für die erste Wohneinheit im Einfamilienhaus) als Zuschuss geltend machen:

• Grundförderung: 30 Prozent für alle selbstnutzenden Eigentümer und Vermieter.
• Klimageschwindigkeits-Bonus: 20 Prozent für den frühzeitigen Austausch funktionstüchtiger Öl-, Kohle-, Gas- oder Nachtspeicherheizungen.
• Einkommens-Bonus: 30 Prozent für selbstnutzende Eigentümer mit einem zu versteuernden Haushaltsjahreseinkommen bis zu 40.000 Euro.
• Effizienz-Bonus: 5 Prozent für Anlagen, die als Wärmequelle Erdreich/Wasser nutzen oder mit einem natürlichen Kältemittel (z. B. R290) betrieben werden. (Hinweis: Systeme mit R32 fallen nicht unter den Kältemittelbonus, kompensieren dies jedoch durch kompaktere Kältekreisabmessungen und günstige Anschaffungs- sowie Wartungskosten).

Zudem schreibt das überarbeitete Energiewirtschaftsgesetz (§ 14a EnWG) zwingend vor, dass steuerbare Verbrauchseinrichtungen (SteuVE) wie Wärmepumpen netzdienlich angesteuert werden können müssen. Die Daikin Altherma-Reihe verfügt ab Werk über die passenden Schnittstellen (Smart Grid Ready / SG-Ready-Relaiskontakte und EEBUS-Kopplung über das Altherma-Regelmodul), um Leistungsreduzierungen bei Netzengpässen durch den Verteilnetzbetreiber sicher auszuführen, während der Heizbetrieb über die thermische Trägheit des Gebäudes und des Pufferspeichers überbrückt wird.

Für Fachbetriebe, Installateure und Planer, die anspruchsvolle Sanierungsprojekte umsetzen und die passenden Komponenten von Split-Geräten bis zu hydraulischen Zubehörbaugruppen suchen, bietet der autorisierte Fachhandel unter www.klimacorner.de fundierte technische Beratung sowie eine breite Auswahl moderner Wärmepumpen- und Klimatechnikkomponenten führender Hersteller.

Fazit und Sanierungsleitfaden für das Fachhandwerk

Die Auslegung der Daikin Altherma 3 H HT belegt, dass die Dekarbonisierung des Wohnungsbestands nicht an bestehenden Heizkörpern scheitern muss. Durch den Einsatz moderner Dampfeinspritzungstechnologie in Kombination mit dem Kältemittel R32 lassen sich Vorlauftemperaturen bis 70 °C wirtschaftlich und betriebssicher darstellen. Voraussetzung für den dauerhaft hocheffizienten Betrieb mit Jahresarbeitszahlen über 3,5 bleibt jedoch ein handwerklich sauber durchgeführter hydraulischer Abgleich, eine an den Mindestvolumenstrom angepasste Pufferhydraulik und eine konsequente Entkopplung der Warmwasserbereitung über hygienische Frischwassersysteme.

Hersteller-Videos und Social Media

Passende Videos des Herstellers:

• Daikin Altherma 3 H HT - Die Revolution für die Renovierung
• Daikin Altherma 3 H HT: Leise Wärmepumpe für Altbau und Sanierung

Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:

• LinkedIn – Daikin Airconditioning Germany informiert über hocheffiziente Wärmepumpenlösungen für die Modernisierung im Gebäudebestand.