Optimierte Wärmeverteilsysteme für die Sanierung von Mehrwohnungshäusern

Dieses System hat vier Rohrleitungen für Heizung und Kühlung (zwei Vorläufe, zwei Rückläufe) und zusätzlich eine Zirkulationsleitung. Ein zentraler Pufferspeicher, der in der Regel als Schichtspeicher ausgeführt ist, versorgt das Heizsystem direkt und übernimmt über einen internen Wärmetauscher auch die zentrale Warmwasserbereitung. Da der Speicher aus hygienischen Gründen ganzjährig auf über 60 °C gehalten werden muss, ist die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe vergleichsweise niedrig.
Die Wärmepumpe kann optional mit einer Hydraulik zur Schichtbeladung ausgestattet werden. Über zwei Einlässe in unterschiedlicher Höhe des Speichers lässt sich so der untere Speicherbereich für die Raumheizung auf niedrigem Temperaturniveau und damit besonders effizient betreiben.
Ein Drei-Wege-Mischventil im Vorlauf der Wärmepumpe wird während der Heizphase eingesetzt und schützt die Wärmepumpe vor einer zu großen Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf. Neben dieser Ausführung existieren verschiedene Varianten, unter anderem mit zentralem Frischwasserspeicher und separatem Heizungspuffer bzw. einer sogenannten hydraulischen Weiche.

Vierleitersystem mit Zirkulation

Das Vierleitersystem mit Zirkulation gilt als robust, aber ineffizient und wird als in Kombination mit Wärmepumpen als ungeeignet beurteilt.

Vorteile

• Robustes, erprobtes System mit vergleichsweise geringen Investitionskosten
• Betriebssicherheit: Hohe Temperaturen reduzieren das Legionellenrisiko

Nachteile

• Energieeffizienz: Hohe Energieverluste, da Speicher ganzjährig > 60 °C (Trinkwasserhygiene: ÖNORM B 5019 bzw. DVGW W 551)
• Energieeffizienz: Niedrige Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe bei ganzjährig hoher Speichertemperatur
• Technik: Große Speichervolumen notwendig, wenn nicht komplett durchgeladen wird
• Technik: In Gebieten mit hoher Wasserhärte Enthärtung notwendig (Vermeidung von Kalkablagerungen)
• Technik: Eventuell Kaskadenschaltung bei Luft-Wasser-Wärmepumpe erforderlich
• Der Betreiber trägt hohe Verantwortung (Hygienevorgaben, Temperaturhaltung)

Bei diesem System wird das Trinkwarmwasser über wohnungsweise installierte Plattenwärmetauscher bereitet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Warmwasser zentral auf mindestens 60 °C zu erhitzen. Stattdessen versorgt ein zentraler Pufferspeicher die dezentralen Wärmetauscher mit Heizungswasser. Diese weisen üblicherweise Leistungen zwischen 25 kW und 35 kW auf. 
Je nach Betriebszustand ergibt sich eine Rücklauftemperatur von etwa 30 °C (ohne Zapfung) bzw. ca. 15 °C (bei hoher Warmwasserabnahme). Um die Temperaturschichtung im Pufferspeicher zu erhalten, wird das Rücklaufwasser in unterschiedlicher Höhe zurückgeführt. Dank der dezentralen Warmwasserbereitung (und ausreichend kurzer Leitungswege in der Wohnung) kann die Vorlauftemperatur auf rund 52 °C abgesenkt werden.
Der Heizungsvorlauf lässt sich unabhängig davon auf einem möglichst niedrigen Temperaturniveau betreiben. Für die Heizung empfiehlt sich eine hydraulische Weiche, welche den Kreislauf der Wärmepumpe vom Heizkreislauf hydraulisch entkoppelt. Als Varianten kommen Kombispeicher oder separate Heizungspuffer in Betracht.
Die Wärmepumpe sollte idealerweise über zwei in unterschiedlichen Höhen angeordnete Anschlüsse mit dem Pufferspeicher verbunden sein, sodass eine Schichtbeladung möglich ist. Ein Drei-Wege-Mischventil im Vorlauf der Wärmepumpe wird in der Heizphase eingesetzt und schützt die Wärmepumpe vor einer zu großen Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf.

Vierleitersystem mit dezentralen Frischwasserstationen

Vorteile

• Trinkwasserhygiene: keine Verantwortung des Betreibers, da dezentrale Warmwasserbereitung
• Energieeffizienz: Höhere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe, da geringere Systemtemperaturen im Wärmeverteilnetz (Heizungswasser statt Frischwasser)
• Hohe Effizienz besonders in Verbindung mit Fußbodenheizung

Nachteile

• Technik: Pufferspeicher muss auf Leistungsanforderungen der Wohnungsstationen dimensioniert werden
• Technik: In Gebieten mit hoher Wasserhärte ggf. Enthärtung notwendig (Schutz der Wärmetauscher)
• Kosten: Höhere Investitionskosten für Wärmeverteilung und dezentrale Frischwasserstationen im Vergleich zum 4-Leitersystem mit Zirkulation

Dieses System nutzt einen gemeinsamen Vor- und Rücklauf für das Heizwasser vom zentralen Pufferspeicher zu den einzelnen Wohnungen. In jeder Wohnung befindet sich eine Wärmeübergabestation, die einen Heizungsverteiler und einen Plattenwärmetauscher für die Warmwasserbereitung enthält. Die Wärmeübergabestation nutzt das Heizwasser des zentralen Zweileitersystems, um das Trinkwasser zu erwärmen und das Heizsystem der Wohnung zu versorgen. 
Durch die dezentrale Warmwasserbereitung – vorausgesetzt, die Leitungswege innerhalb der Wohnung bleiben kurz – kann die Vorlauftemperatur auf etwa 52 °C abgesenkt werden. Optional lässt sich das Rücklaufwasser abhängig von seiner Temperatur auf verschiedenen Höhen in den Pufferspeicher zurückführen, um die Temperaturschichtung zu erhalten.
Ein Drei-Wege-Ventil steuert den Durchfluss zwischen Heizung und Warmwasserbereitung. Bei Niedertemperaturheizungen muss die Vorlauftemperatur von ca. 52 °C auf etwa 35 °C reduziert werden; dies erfolgt über ein Drei-Wege-Mischventil vor der Fußbodenheizung.
Zur Schichtbeladung kann die Hydraulik mit zwei in unterschiedlicher Höhe angeordneten Speicheranschlüssen ausgestattet werden. So kann die Wärmepumpe den Pufferspeicher temperaturabhängig auf verschiedenen Niveaus laden. Zusätzlich wird im Vorlauf der Wärmepumpe ein Drei-Wege-Mischventil eingesetzt, das während der Aufheizphase die Wärmepumpe vor einer zu großen Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf schützt.

Zweileitersystem mit dezentralen Wärmeübergabestationen

Vorteile

• Trinkwasserhygiene: Verantwortung des Betreibers entfällt für dezentrale Warmwasserbereitung
• Geringere Verluste und höhere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe im Vergleich zum Vierleitersystem mit Zirkulation
• Systemtemperaturen im Wärmeverteilnetz können abgesenkt werden (Heizungswasser statt Frischwasser)

Nachteile

• Energieeffizienz: Geringere Wärmepumpeneffizienz als das Vierleitersystem mit dezentralen Frischwasserstationen
• Energieeffizienz: Kein energetischer Vorteil von Fußbodenheizung gegenüber Heizkörpern
• Technik: Pufferspeichervolumen muss exakt auf die Anforderungen der Wohnungsstationen ausgelegt werden
• Technik: Bei hoher Wasserhärte ist Enthärtung erforderlich, um Kalk am Wärmetauscher zu vermeiden

in Nachteil des Zweileitersystems liegt in der Bereitstellung der Wärme auf hohem Temperaturniveau. Dieser Nachteil kann durch den Einsatz dezentraler, wohnungsweiser Warmwasserspeicher verringert werden. Beim Zweileitersystem mit dezentralen Speichern und Beladefenstersteuerung übernimmt ein zentraler Pufferspeicher die Versorgung. Während festgelegter Beladefenster stellt er Warmwasser zur Aufladung der dezentralen Trinkwasserspeicher bereit. Außerhalb dieser Zeitfenster erfolgt die Heizungsversorgung auf einem niedrigen Temperaturniveau.

Für die Warmwasserbereitung (ca. 52 °C) wird Wasser aus dem oberen Bereich des Pufferspeichers entnommen, während die Heizung aus der mittleren Zone versorgt wird. Optional kann die Wärmepumpe den Pufferspeicher über zwei unterschiedlich hoch liegende Einlässe beschicken, sodass eine Schichtbeladung je nach Temperatur möglich ist.

Zweileitersystem mit dezentralen Warmwasserspeichern mit Beladefenstersteuerung

Vorteile

• Trinkwasserhygiene: Verantwortung des Betreibers entfällt für dezentrale Warmwasserbereitung
• Energieeffizienz:
  • Potenziell höhere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe bei Einsatz eines Schichtspeichers mit Schichtbeladung
  • Zeitfenster zur Warmwasserbereitung ermöglichen niedrigere Jahresmitteltemperaturen → bessere Effizienz
  • Systemtemperaturen im Wärmeverteilnetz geringer als bei zentralen Systemen (Heizungswasser statt Trinkwasser)
• Möglichkeit zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs (z. B. Mieterstrom-Modelle)
• Beladefenster flexibel gestaltbar (z. B. 1–2x täglich, Effizienz steigt bei kürzeren Fenstern)

Nachteile

• Energieeffizienz:
  • Viele kleine dezentrale Speicher führen zu höheren Verlusten als ein zentraler Speicher
  • Speichergröße beeinflusst Komfort, Effizienz und Platzbedarf; wenig Flexibilität bei variabler Bewohnerzahl
  • Keine energetischen Vorteile gegenüber Vierleitersystem mit dezentralen Frischwasserstationen oder Zweileitersystem mit dezentralen Wärmeübergabestationen
• Technik:
  • Zusätzlicher Platzbedarf in den Wohneinheiten für Speichereinheit
  • Größere Pufferspeicher bzw. höhere Wärmepumpenleistung nötig (keine Ausnutzung der „Gleichzeitigkeit“)
  • Hydraulische Komponenten für Umschaltung Raumheizung und Warmwasser erforderlich
• Höhere Investitionskosten als beim Zweileitersystem mit dezentralen Wärmeübergabestationen

Die zentrale Wärmepumpe liefert Niedertemperaturwärme, die über das Zweileitersystem zu den Wohnungen geliefert wird. In jeder Wohnung ist eine dezentrale Booster-Wärmepumpe installiert, die die Niedertemperaturwärme lokal auf das erforderliche Temperaturniveau für die Raumheizung und Warmwasserbereitung anhebt. Für die Warmwasserbereitung wird in jeder Wohnung ein dezentraler Warmwasserspeicher benötigt.

Zweileitersystem mit Booster-Wärmepumpen

Vorteile

• Trinkwasserhygiene: Verantwortung des Betreibers entfällt für dezentrale Warmwasserbereitung
• ·Energieeffizienz
  • Hohe Gesamteffizienz durch niedrige Vorlauftemperaturen der zentralen Wärmepumpe
  • Reduzierte Verteilverluste aufgrund geringerer Systemtemperaturen
• Technik
  • Bedarfsgerechte Temperaturbereitstellung in jeder Wohneinheit durch Booster-Wärmepumpen (individuelle Warmwasser- und Vorlauftemperaturen)
  • Gute Skalierbarkeit für größere Mehrfamilienhäuser

Nachteile

• ·Viele kleine dezentrale Speicher führen zu höheren Wärmeverlusten als ein zentraler Speicher
• Technik
  • Erhöhter Platzbedarf für Booster-Wärmepumpen und Trinkwarmwasserspeicher in jeder Wohneinheit
  • Zusätzliche Schallemissionen in den Wohnungen durch die dezentralen Geräte
  • Komplexere Systemplanung und Installation
• Höhere Investitions- und Wartungskosten durch die Vielzahl kleinerer Geräte

Bei diesem semi-zentralen Konzept erfolgt die Wärmebereitung für die Raumheizung zentral und die Trinkwarmwasserbereitung dezentral. Eine zentrale Wärmepumpe versorgt die Fußbodenheizung über einen Pufferspeicher. In jeder Wohnung ist einen dezentrale Booster-Wärmepumpe installiert, welche den Fußbodenheizungsrücklauf als Wärmequelle nutzt und damit einen dezentralen Trinkwarmwasserspeicher erwärmt. Das Konzept ist nur in Verbindung mit Niedertemperatur-Heizsystemen wie Fußbodenheizungen sinnvoll, da bei höheren Systemtemperaturen die benötigte Temperatur für die Warmwasserbereitung ohnehin direkt zur Verfügung steht.

Zweileitersystem mit Rücklauf-Wärmepumpe

Vorteile

• Trinkwasserhygiene: Verantwortung des Betreibers entfällt für dezentrale Warmwasserbereitung
• Energieeffizienz
  • Hohe Gesamteffizienz durch niedrige Vorlauftemperaturen der zentralen Wärmepumpe
  • Reduzierte Verteilverluste aufgrund geringerer Systemtemperaturen
  • Gute Effizienz der Rücklauf-WP: Wärmequelle ist der Rücklauf der Fußbodenheizung
• Technik
  • Sommerbetrieb: die Rücklauf-WP kann begrenzt kühlen, indem sie dem Heizkreis Wärme entzieht
  • Bedarfsgerechte Temperaturbereitstellung in jeder Wohneinheit durch Rücklauf-Wärmepumpen (individuelle Warmwasser- und Vorlauftemperaturen)
• Gute Skalierbarkeit für größere Mehrfamilienhäuser

Nachteile

• Energieeffizienz
  • Viele kleine dezentrale Speicher führen zu höheren Wärmeverlusten als ein zentraler Speicher
  • Wenn Rücklauftemperaturen niedrig sind bzw. hohe WW-Temperaturen gefordert werden sinkt Effizienz der Rücklauf-Wärmepumpe
• Technik
  • Erhöhter Platzbedarf für Rücklauf-Wärmepumpen und Trinkwarmwasserspeicher in jeder Wohneinheit
  •  Zusätzliche Schallemissionen in den Wohnungen durch die dezentralen Geräte
  • Nur sinnvoll bei Niedertemperatur-Heizsystemen: Bei höheren Systemtemperaturen ist die benötigte WW-Temperatur direkt verfügbar
• Höhere Investitions- und Wartungskosten durch die Vielzahl kleinerer Geräte

Das Zweileitersystem mit dezentralen Elektroboilern ist zwar in der Anschaffung kostengünstig, zeichnet sich jedoch durch eine geringe Effizienz aus. Dabei übernimmt eine zentrale Wärmepumpe über eine hydraulische Weiche die Heizungsversorgung, während die Warmwasserbereitung dezentral über wohnungsweise Elektroboiler erfolgt.

Zweileitersystem mit dezentralen Elektroboilern

Wird zusätzlich eine Duschwasser-Wärmerückgewinnung eingesetzt, kann die für die Warmwasserbereitung benötigte Energie während des Duschens gesenkt und der Stromverbrauch der dezentralen Elektroboiler reduziert werden.

Zweileitersystem mit dezentralen Elektroboilern mit Duschwasser-Wärmerückgewinnung

Vorteile

• Trinkwasserhygiene: Verantwortung des Betreibers entfällt für dezentrale Warmwasserbereitung
• Reduzierte Verteilverluste und gute Effizienz der Heizungswärmepumpe aufgrund geringer Systemtemperaturen
• Geringe Investitionskosten

Nachteile 

• Energieeffizienz
  • Viele kleine dezentrale Speicher führen zu insgesamt höheren Verlusten als ein zentraler Speicher
  • Sehr geringe Effizienz der Warmwasserbereitung (Jahresarbeitszahl < 1): nur bedingt empfehlenswert, ggf. in Kombination mit Duschabwasserwärmerückgewinnung
• Technik
  • Erhöhter Platzbedarf für Trinkwarmwasserspeicher in jeder Wohneinheit
  • Erhöhter elektrischer Leistungsbedarf durch zusätzliche Anschlussleistung für Elektroboiler

Als Alternative zu dezentralen Elektroboilern können Wärmepumpenboiler eingesetzt werden, die Raum- oder Abluft als Wärmequelle nutzen. Ebenso denkbar ist der Einsatz dezentraler Fortluft- bzw. Außenluft-Wärmepumpen. Letztere – insbesondere in Split-Ausführung – sind derzeit jedoch lediglich als Prototypen am Markt verfügbar.

Zweileitersystem mit dezentralen Warmwasser-Wärmepumpen

Vorteile

• Trinkwasserhygiene: Verantwortung des Betreibers entfällt für dezentrale Warmwasserbereitung
• ·Reduzierte Verteilverluste und gute Effizienz der Heizungswärmepumpe aufgrund geringer Systemtemperaturen

Nachteile

• Viele kleine dezentrale Speicher führen zu insgesamt höheren Verlusten als ein zentraler Speicher
• Erhöhter Platzbedarf für Trinkwarmwasserspeicher in jeder Wohneinheit
• Höhere Investitions- und Wartungskosten durch die Vielzahl kleinerer Geräte

Als Alternative zu dezentralen Elektroboilern können Wärmepumpenboiler eingesetzt werden, die Raum- oder Abluft als Wärmequelle nutzen. Ebenso denkbar ist der Einsatz dezentraler Fortluft- bzw. Außenluft-Wärmepumpen. Letztere – insbesondere in Split-Ausführung – sind derzeit jedoch lediglich als Prototypen am Markt verfügbar.