Wärmepumpen für die Sanierung: Hydraulik und Regelung von S-Klima

Dekarbonisierung im Wohnungsbestand: Technische Herausforderungen meistern

Die energetische Sanierung von Ein- und Mehrfamilienhäusern verlangt der Anlagentechnik Höchstleistungen ab. Bestehende Wärmeverteilsysteme sind häufig für Auslegungstemperaturen von 70/55 °C oder 60/45 °C dimensioniert, während Heizflächen und Rohrnetze begrenzte Querschnitte aufweisen. Um den Vorgaben des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) zu entsprechen und gleichzeitig wirtschaftliche Jahresarbeitszahlen (JAZ) nach VDI 4650 sicherzustellen, rücken moderne Luft-Wasser- und Luft-Luft-Wärmepumpenlösungen von S-Klima in den planerischen Mittelpunkt. S-Klima bietet mit seinen wasserführenden Systemen (insbesondere den SAS- und Hydrolution-Serien) sowie flexiblen Split-Lösungen auf Basis von Mitsubishi Heavy Industries Technologie ein breites Portfolio für den Wohnungssektor.

Der Schlüssel zu einem störungsfreien und effizienten Betrieb liegt im Verständnis des thermodynamischen Kreisprozesses, der optimalen hydraulischen Einbindung und der exakten Dimensionierung auf Basis einer raumweisen Heizlastberechnung nach DIN EN 12831.

Thermodynamik: Kältekreis und Effizienzgrenzen

Der Kompressionskältekreis einer Wärmepumpe basiert auf dem rechtslaufenden Kreisprozess. Das Kältemittel nimmt bei niedrigem Druck im Verdampfer Umgebungswärme auf und verdampft. Im Inverter-Verdichter wird der Dampf mechanisch komprimiert, wodurch Druck und Temperatur steigen. Am Verflüssiger (Plattenwärmeübertrager bei Luft-Wasser-Systemen oder Direktverdampfer-Inneneinheit) wird die Enthalpie an das Heizmedium oder die Raumluft abgegeben, bevor das Kältemittel über das elektronische Expansionsventil (EEV) entspannt und der Kreislauf geschlossen wird.

Die theoretische Obergrenze der Effizienz wird durch den Carnot-Gütegrad bestimmt: $$\varepsilon_{\text{Carnot}} = \frac{T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}} - T_{\text{kalt}}}$$ (mit den absoluten Temperaturen in Kelvin). Beträgt die Verdampfungstemperatur bei Frost $T_{\text{kalt}} = 266{,}15,\text{K}$ (-7 °C) und die Verflüssigungstemperatur $T_{\text{warm}} = 328{,}15,\text{K}$ (+55 °C), liegt das Carnot-Limit bei: $$\varepsilon_{\text{Carnot}} = \frac{328{,}15}{328{,}15 - 266{,}15} = \frac{328{,}15}{62} \approx 5{,}29$$

Reale Leistungszahlen (COP nach DIN EN 14511) erreichen typischerweise 45 bis 55 % dieses Werts, da Druckverluste im Wärmeübertrager, isentrope Verdichterwirkungsgrade und Abtauenergie zu berücksichtigen sind. Umso wichtiger ist es bei der Modernisierung, die Vorlauftemperatur über eine präzise Heizkurvenanpassung so niedrig wie technisch möglich zu halten: Jedes Kelvin Absenkung des Vorlaufs steigert den COP um ca. 2 bis 2,5 %.

Hydraulische Einbindung und Systemtrennung im Altbau

Im unrenovierten Wohnungsbestand stellen schwankende Volumenströme durch schließende Thermostatventile eine zentrale Hürde für Wärmepumpen dar. Während modulierende DC-Inverter-Verdichter von S-Klima ihre Drehzahl stufenlos anpassen können, verlangen Plattenwärmetauscher im Außengerät stets einen definierten Mindestvolumenstrom, um ein Einfrieren während der zyklischen Kreisumkehr-Abtauung zu verhindern.

Reihenspeicher vs. hydraulische Weiche

Für die Integration existieren primär zwei Schaltungsvarianten:

1. Reihenspeicher im Rücklauf mit Überströmventil: Hierbei zirkuliert das Wasser direkt durch den Heizkreis. Ein Pufferspeicher im Rücklauf vergrößert das wirksame Anlagenvolumen, puffert Abtauenergie ab und reduziert die Schalthäufigkeit (Takten) des Verdichters. Der hydraulische Wirkungsgrad bleibt maximal, da keine Temperaturdurchmischung stattfindet.
2. Hydraulische Weiche / Trennspeicher mit Sekundärpumpe: Bei stark verzweigten Rohrnetzen im Mehrfamilienhaus oder unklaren Druckverlusten entkoppelt ein Parallelspeicher Primär- und Sekundärkreis. Der Primärkreis garantiert den Mindestvolumenstrom des S-Klima Außengeräts. Ein hydraulischer Abgleich nach Verfahren B ist zwingend erforderlich, um Rücklauftemperaturen niedrig zu halten und ein hydraulisches Kurzschließen im Speicher zu unterbinden.

| Systemparameter | Reihenspeicher (Rücklauf) | Parallelspeicher / Trennspeicher | Direktkreis ohne Puffer | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Exergieverlust | Sehr gering | Gering bis moderat (Mischverluste) | Keiner | | Volumenstromsicherung | Über Überströmventil | Vollständig entkoppelt | Kritisch bei Einzelraumregelung | | Abtauenergiespeicher | Ausreichend bei korrekter Dimensionierung | Hoch | Gering (Gefahr von Störabschaltung) | | Planungsempfehlung | EFH mit abgeglichenen Heizkörpern | Zweifamilienhaus / gemischte Netze | Nur bei offenen Flächenheizungen |

Warmwasserbereitung und Legionellenprävention im Mehrfamilienhaus

Die Trinkwassererwärmung im Bestand verlangt Systemtemperaturen, die herkömmliche Wärmepumpen an die Leistungsgrenze bringen können. Hier kommen S-Klima Systeme mit fortschrittlichen Verdichterkonzepten zum Tragen. Für die hygienische Trinkwasserbereitung bieten sich Frischwasserstationen (FriWa) an: Das Trinkwasser wird im Durchlaufprinzip über einen Edelstahl-Plattenwärmetauscher sekundär erwärmt, wodurch stehendes Warmwasservolumen entfällt. Dies erleichtert die Einhaltung der Trinkwasserverordnung (DIN 1988-200 / DVGW W 551) bei Speicher-Vorlauftemperaturen von rund 50 bis 55 °C, ohne permanent 60 °C vorhalten zu müssen.

Bei zentralen Speichersystemen im Mehrfamilienhaus ermöglicht die intelligente CompTrol-Regelung automatisierte thermische Desinfektionszyklen in Schwachlastzeiten, teils unterstützt durch elektrische Nacherwärmung oder Kaskadenschaltungen.

Dimensionierungsbeispiel: Heizkörper-Austausch vs. Vorlauftemperatur

Gegeben sei ein typisches Einfamilienhaus (Baujahr 1985, 140 m² Wohnfläche) mit einer berechneten Norm-Heizlast von 9,5 kW bei einer Norm-Außentemperatur von -10 °C.

• Ausgangssituation: Vorlauf 65 °C, Rücklauf 50 °C (Spreizung $\Delta T = 15,\text{K}$). Benötigter Norm-Volumenstrom im Verteilnetz: $$\dot{V} = \frac{\dot{Q}}{c \cdot \rho \cdot \Delta T} = \frac{9{,}5,\text{kW}}{1{,}163,\frac{\text{kWh}}{\text{m}^3\text{K}} \cdot 15,\text{K}} \approx 0{,}545,\text{m}^3/\text{h}; (545,\text{l/h})$$
• Modernisierung: Durch gezielten Austausch einzelner Typ-22-Radiatoren gegen moderne Typ-33-Flachheizkörper wird die Systemtemperatur auf 50/42 °C ($\Delta T = 8,\text{K}$) abgesenkt. Der erforderliche Volumenstrom steigt: $$\dot{V}_{\text{neu}} = \frac{9{,}5}{1{,}163 \cdot 8} \approx 1{,}021,\text{m}^3/\text{h}; (1021,\text{l/h})$$

Die Verdopplung des Volumenstroms führt bei unverändertem Rohrnetz zu einem etwa vierfachen Druckverlust ($\Delta p \propto \dot{V}^2$). Der Fachhandwerker muss daher die Restförderhöhe der internen Umwälzpumpe der S-Klima Inneneinheit prüfen und gegebenenfalls Leitungsstränge im Kellerbereich hydraulisch anpassen. Der Lohn der Mühe: Die Jahresarbeitszahl (JAZ) steigt von rund 3,1 auf über 3,9, was die Betriebskosten über 20 Betriebsjahre drastisch reduziert.

Förderlandschaft und BEG-Richtlinien

Über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) gewährt die KfW im Rahmen des Heizungstauschs Zuschüsse von bis zu 70 % (Grundförderung 30 %, Klimabonus 20 %, Einkommensbonus 30 %, gedeckelt auf maximal 70 % der förderfähigen Ausgaben bis 30.000 Euro im Einfamilienhaus). Um die Fördervoraussetzungen zu erfüllen, müssen S-Klima Wärmepumpen in der BAFA-Liste der förderfähigen Geräte geführt sein, eine jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz ($\eta_s$) nach Ökodesign-Richtlinie nachweisen und einen hydraulischen Abgleich nach Verfahren B aufweisen.

Fazit und Praxishinweise für Fachhandwerker

Die erfolgreiche Dekarbonisierung des Wohnungsbaus steht und fällt mit der Detailplanung. Wärmepumpenlösungen von S-Klima bieten durch modulierende Scroll-Verdichter, präzise EEV-Steuerung und robuste Regelungsplattformen ideale Voraussetzungen für den Bestand. Installateure sollten jedoch niemals auf die raumweise Heizlastberechnung verzichten und vor der Montage das Rohrnetz auf druckverlustarme Strömungsgeschwindigkeiten überprüfen.

Für Kälte- und Heizungsfachbetriebe sowie Planer bietet klimacorner.de eine zentrale Plattform mit fundierter technischer Fachberatung, Auslegungshilfen und einem umfangreichen Sortiment an Markenkomponenten aus den Bereichen Wärmepumpen, Klimasysteme und Kältetechnik.

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