Luft/Wasser-Wärmepumpen im Denkmal

Bilk ist der bevölkerungsreichste Stadtteil von Düsseldorf und ein beliebter Wohnort für Studierende. Bekannt ist Bilk auch für eine ausgesprochen vielfältige Stadtteilkultur mit zahlreichen Restaurants, Cafés und Kultureinrichtungen wie beispielsweise dem „Bilker Bunker“. Das als Luftschutzbauwerk Nr. 25 erstellte Gebäude wurde im Rahmen der Aufhebung der Zivilschutzbindung verkauft und in den vergangenen zwei Jahren umgebaut. Robert Tyborski hat das Projekt „Bilker Bunker“ als leitender Architekt in den letzten Jahren betreut. In einer ersten Phase sind auf dem Dach des Bunkers fünf Maisonette-Wohnungen mit einer kumulierten DIN-Wohnfläche von 670 m² errichtet worden.

Die Wohnungen wurden als Eigentumswohnungen verkauft und haben eine Größe von 97 bis 164 m². Sie werden über Fußbodenheizungen beheizt und können im Sommer über diese auch gekühlt werden. In der zweiten Bauphase wurde der ursprüngliche Baukörper (Bunker) unter Beachtung des Denkmalschutzes umgebaut. Dabei wurden im Innenbereich Wanddurchbrüche geschaffen, um Transparenz und Durchlässigkeit zwischen einzelnen Räumen zu erzeugen. Darüber hinaus wurden teilweise auch Decken herausgenommen und neue Stahlträger eingezogen, um in Ausstellungsräumen die Möglichkeit zu haben, größere Objekte aufzustellen.

Wärmeversorgung mit Luft/Wasser-Wärmepumpen

Einen wesentlichen Anteil an der Modernisierung zur Umnutzung des Bunkergebäudes hat die umfassende Neugestaltung der Gebäudetechnik eingenommen. Die gebäudetechnische Herausforderung bestand darin, eine energiesparende und zukunftsfähige Wärmeversorgung für das denkmalgeschützte Gebäude zu entwickeln und umzusetzen, um ganzjährig ein angenehmes Temperaturniveau sowohl im Bunkerbereich als auch in den aufgestockten Wohnungen nach GEG-Standard zu gewährleisten. Die aus Denkmalschutzgründen fast fensterlose Außenhülle des Gebäudes erfordert eine kontrollierte Be- und Entlüftung im Inneren des Bunkers. Dafür wurden ein neues Zentrallüftungsgerät und die kompletten Luftkanäle neu installiert.

Die Wärmerückgewinnung kann dabei einen Teil des Heizwärmebedarfs abdecken. Der überwiegende Teil des Wärmebedarfs aber sollte durch eine Technologie abgedeckt werden, die den heutigen Ansprüchen an das Gebäude mit Veranstaltungs-, Musik-, Seminar- und Büroräumen gerecht wird. „Die Anforderungen des GEG an die Heiztechnik galten für den Luftschutzbunker aufgrund des Denkmalschutzes nicht. Für die fünf Wohnungen, die auf den Bunker gesetzt wurden, hingegen schon. Eine Wärmeversorgung auf Basis fossiler Energieträger wurde zwar in Erwägung gezogen, aber aufgrund der politischen Umstände schnell verworfen“, erklärt dazu Peter Dukome, Projektleiter bei der PBS-Energiesysteme GmbH aus Haan, der die Planung der gebäudetechnischen Sanierung ausgeführt hat.

Kaskadierung bietet zahlreiche Vorteile

Als Lösung für die Beheizung des Bunkers kommen vier Luft/Wasser-Wärmepumpen des Typs „Ecodan“ von Mitsubishi Electric in Kaskaden-Schaltung zum Einsatz. Die Kaskadierung der Wärmepumpen bietet zahlreiche Vorteile gegenüber einer einzelnen Wärmepumpe mit entsprechend großer Leistung. Kaskaden haben einen größeren Modulationsbereich, das führt zu einem unterbrechungsfreieren Betrieb. Effizienter sind Kaskaden, weil die Geräte in Teillast effizienter (energiesparender) laufen. Eine Regelung mit Auto-Adaptfunktion optimiert das Betriebsverhalten und sucht automatisch den jeweils besten Betriebspunkt. Außerdem bietet eine Kaskade eine Redundanzfunktion bei der Wartung von Einzelgeräten und führt so zu einer höheren Betriebssicherheit.

Die Vierer-Kaskade mit jeweils 14 kW Nennwärmeleistung pro Einzelgerät sorgt für die Wärmeversorgung des alten Luftschutzbunkers. Aufgeteilt in sieben Etagen (zwei Kellergeschosse und fünf oberirdische Ebenen) umfasst die Gesamtfläche ungefähr 2.300 m², die durch die Wärmerückgewinnung der zentralen Lüftungsanlage und die vier Luft/Wasser-Wärmepumpen beheizt werden. Damit decken die Wärmepumpen die Heizlast des Gebäudes im monovalenten Betrieb ab. Die Wärmeverteilung übernehmen sogenannte Rippenrohr-Heizkörper, die aufgrund ihrer Rohstahl-Optik gut zum Charakter des Bunkers passten und auf Kundenwunsch installiert wurden.

Reversible Wärmepumpen Heizen oder Kühlen wahlweise

Die neu auf dem Dach des Bunkers erstellten Wohnungen werden von zwei „Ecodan“-Luft/Wasser-Wärmepumpen (als Zweier-Kaskade) versorgt. Die Außengeräte haben jeweils 12,1 kW Nennwärme- bzw. 12 kW Kühlleistung und speisen die Fußbodenheizungen bei niedriger Außentemperatur mit Wärme. In den Sommermonaten können die reversiblen Wärmepumpen dafür eingesetzt werden, kühles Wasser durch die Leitungen im Fußboden zu führen. „Das ist einer von vielen Vorteile einer Wärmepumpe, dass man mit ihr nicht nur heizen kann, sondern im Sommer kann sie – in dieser Ausführung – auch die Kühlung des Gebäudes übernehmen. Die reversiblen Luft/Wasser-Wärmepumpen haben damit einen zusätzlichen Nutzen, den ein Heizkessel nicht bieten kann“, so Dukome. „Im Kühlbetrieb wird die Fußbodenheizung mit 16 °C Vorlauftemperatur gespeist und bei ca. 18 bis 19 °C wieder herausgebracht“.

Sowohl die Außengeräte für den Bunker als auch diejenigen für die Wohneinheiten sind mit der „Zubadan“-Technologie ausgestattet. Dabei wird im Verdichtungsprozess ein Zwei-Phasen-Gemisch auf den Verdichterkopf eingespritzt. Mit dem Flash-Injection-Kreislauf des Verdichters kann so bei tiefen Außentemperaturen mit einer höheren Drehzahl gearbeitet und die Kältemittelmenge im Wärmepumpen-System konstant gehalten werden. Wie der Hersteller betont, können die Wärmepumpen auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen, von bis zu -15 °C, noch 100 % ihrer Heizleistung erbringen. Gleichzeitig erweitere sich der untere Einsatzbereich auf bis zu -30 °C Außentemperatur, bei dem die Wärmepumpen eine für den Heizbetrieb nutzbare Temperatur zur Verfügung stellen.

Die Aufstellung der Außengeräte erfolgte aufgrund der örtlichen, innerstädtischen Gegebenheiten an der Außenfassade. So sind die Geräte der Vierer-Kaskade auf einem Absatz über der Toreinfahrt montiert. Die Zweier-Kaskade für die Wohnungen wurde über eine Stellfläche im 3. OG an der Fassade montiert. Beide Standorte sind leicht für Wartungsarbeiten zu erreichen, bieten eine gute Luftzirkulation und sind optisch sowie akustisch kaum wahrnehmbar. Die hydraulische Einbindung der Wärmepumpen-Kaskaden in die unterschiedlichen Wärmeverteilungssysteme erfolgt über sogenannte „Hydromodule“, in denen die Energieübertragung vom Kältemittel auf das Heizungswasser stattfindet.

Die Innengeräte für die Vierer-Kaskade, die den Bunker versorgen, befinden sich in einem Technikraum im 3. OG. Zu jeder Außeneinheit gehört ein „Hydromodul“ mit Wärmeübertrager-Einheit. Ergänzt wird die Anlage durch zwei Pufferspeicher, die das vorkonditionierte Heizwasser speichern, bis es abgerufen wird. Die Speicherung der Wärme dient auch zur Überbrückung von Sperrzeiten des Stromversorgers. Gleichzeitig stellen die Pufferspeicher die Energie zur Abtauung der Außenmodule im Winter bereit. Der Technikraum der Wärmepumpen-Kaskade für die fünf Wohneinheiten befindet sich im 4. OG und verfügt über zwei „Hydromodule“ für den Energietausch sowie einen Pufferspeicher zum Vorhalten von warmem oder – je nach Betriebsmodus – kaltem Brauchwasser.