Kältemittel

In AWN-Produkten kommen sowohl Kühlmittel als auch Kältemittel zum Einsatz.

Das verwendete Kühlmittel ist in der Regel ein Wasser-Ethylenglycol-Gemisch („Sole“) und immer flüssig. Es wird erst nach Installation einer AWN-Anlage in die Leitungen gefüllt und ist in der Lage, Wärme bei höherer Temperatur aufzunehmen und bei niedrigerer Temperatur wieder abzugeben. Ein solcher Kreislauf benötigt auf der Kalten Seite in der Regel eine Wärmepumpe, um die gewonnene Wärme dann zum Heizen nutzen zu können.

Kältemittel hingegen sind Gase oder Gemische von Gasen. Sie werden unter Druck flüssig und sind bei Umgebungsbedingungen gasförmig. In allen AWN-Produkten ist das enthaltene Kältemittel in einem hermetisch geschlossenen Kreislauf enthalten und wird bereits ab Werk befüllt.

Im Gegensatz zum Kühlmittel kann ein Kältemittel auch Wärme „von kalt nach warm“ transportieren. Dies ist möglich, weil es im sogenannten Kältekreis innerhalb der Wärmepumpe durch Verdichter und Expansionsventil in zwei verschiedenen Druckbereichen sehr schnell unterschiedliche Temperaturen annehmen kann. Es ändert dabei immer wieder seinen Zustand von flüssig zu gasförmig und umgekehrt.

Normativ definiert wird Kältemittel auch als „Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen.“ (DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1)

Die Wahl des Kältemittels hängt von verschiedenen Faktoren ab. Darunter sind insbesondere zu nennen:

• Technische Paramater wie das Temperaturniveau der Wärmequelle oder das benötigte Temperaturniveau an der Wärmesenke (Vorlauftemperatur) sowie die erreichbare Effizienz
• Sicherheitsanforderungen abhängig von den benötigten Drücken um die erforderlichen Temperaturen zu erreichen sowie der Toxizität und Brennbarkeit des Kältemittels.
• umwelttechnische Anforderungen, insbesondere das Treibhauspotential (Global Warming Potential, GWP)

Sicherheit

Kältemittel werden grundsätzlich kategorisiert nach ihrer Giftigkeit (Toxizität) und Brennbarkeit. ISO 817 und ANSI/ASHRAE 34 sehen hierfür sogenannte Sicherheitsklassen vor:

Basierend auf der Einordnung eines Kältemittels gemäß Toxizität und Brennbarkeit werden beispielsweise in der EN 378 unterschiedlich hohe Sicherheitsanforderungen an den Hersteller hinsichtlich des Kältekreises (EN 378-2) oder an Betreiber hinsichtlich des Aufstellortes der Wärmepumpe (EN 378-3) gestellt. Dabei spielt insbesondere die Füllmenge – also die Masse des enthaltenen Kältemittels – eine Rolle.

Abhängig von der Klassifikation des Aufstellortes und des Zugangsbereichs werden so maximale zulässige Füllmengen für eine Anlage definiert. Wird diese überschritten, können weitere Maßnahmen notwendig sein.

Bei A1-klassifierten Kältemitteln besteht in der Regel keine Herausforderung, die Grenzwerte einzuhalten, was sich am Beispiel der AWN T.Flow zeigt, welche üblicherweise in einem Personenaufenthaltsbereich (Wohnung) aufgestellt wird.

Chemische Zusammensetzung und Umweltverträglichkeit

Kältemittel sind Reinstoffe oder Gemische aus unterschiedlichsten chemischen Verbindungen. Die ozonschichtabbauenden Kältemittel wurden bereits in der Vergangenheit weitestgehend ersetzt. Kältemittel können wie folgt unterschieden werden:

Zukunftsfähigkeit (AMEV Kälte 2017)

Der Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen (AMEV) veröffentlichte 2017 Hinweise zur Planung, Ausführung und Betrieb von Kälteanlagen und Kühlgeräten für öffentliche Gebäude[1]. Darin enthalten ist auch eine Auflistung natürlicher und als zukunftssicher eingeordneter Kältemittel in Anlehnung an die damals gültige F-Gase-Verordnung. Auf diese Einordnung wird unter anderem in den Siegeldokumenten des Qualitätssiegels Nachhaltiges Gebäude (QNG) verwiesen (siehe Abschnitt Kältemittel in Förderprogrammen).

Die AMEV Kälte 2017 trifft folgende Einordnung der damals bekannten Kältemittel (Liste unvollständig):

[1] https://www.amev-online.de/AMEVInhalt/Planen/Maschinenbau-und-Versorgungstechnik/Kaelte_2007/

Hinzu kommen die natürlichen Kältemittel, welche ebenso als zukunftssicher gelten. Für Heizungs-Wärmepumpen im Wohnungsbau kommt unter den natürlichen Kältemitteln aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften in der Regel nur Propan in Frage.

In den kommenden Jahren werden durch Wärmepumpen viele fossile Heizungen abgelöst. In Verbindung mit einer zunehmenden erneuerbaren Stromversorgung können diese Wärmepumpen dadurch hohe Mengen an CO₂-Emissionen einsparen.

Dabei verwenden Wärmepumpen allerdings noch immer oft Kältemittel, die hundertfach so stark den Klimawandel beschleunigen wie das durch eine Gas-Heizung oder bei anderen fossilen Verbrennungsprozesse üblicherweise emittierte Kohlendioxid (CO₂). Allerdings wird ein Kältemittel im Betrieb nicht freigesetzt, sondern bleibt über die gesamte Lebensdauer in der Wärmepumpe, bis es im Rahmen eines Rückbaus gemäß der gesetzlichen Vorschriften abgesaugt und sicher entsorgt wird.

Natürlich kann es auch zu Leckagen und geringen Verlusten bei Reparaturen kommen. Die hierdurch entstehenden Treibhauseffekte sind jedoch um ein vielfaches kleiner, als die Einsparungen durch den Ersatz fossiler Heizungen[1]. Einen konkreten Berechnungsansatz hierfür liefert die Sonderberechnungsvorschrift F-Gase.

Hiernach lässt sich folgendes Beispiel rechnen:

Wird ein Mehrfamilienhaus mit 12 Wohneinheiten (1000 m² Wohnfläche) mit einem Wärmebedarf von 100.000 kWh/a mit einer Gas-Brennwert-Heizung versorgt, so emittiert dies rund 20.000 kg CO₂ pro Jahr. Wird stattdessen eine Heizungs-Wärmepumpe mit Kältemittel R410A (GWP=2088) mit einer Füllmenge von 3 kg eingesetzt, so geht die Sonderberechnungsvorschrift F-Gase von einer bilanziellen Emission in Höhe von rund 245 kg CO₂-Äquivalent pro Jahr durch mögliche Leckagefälle und Verluste bei Reparaturen aus (Betrachtungszeitraum: 50 Jahre). Die Einsparungen an CO₂-Emissionen überwiegen jedoch im Vergleich zur Gas-Heizung die zu befürchtenden Kältemittelemissionen deutlich. Deren Höhe hängt dabei von Arbeitszahl und CO₂-Faktor des bezogenen Stroms ab. 2023 lag der netzbezogene Strom bei rund 380 g CO₂/kWh[2]. Mit einer wenig anspruchsvollen Arbeitszahl von 3 käme eine Wärmepumpe hiermit auf eine Einsparung von bereits mehr als 7.300 kg CO₂/a für das genannte Beispiel. Mit zunehmendem Ausbau der Erneuerbaren Stromerzeugung wird sich dieses positive Verhältnis weiter ausprägen.

[1] https://epeeglobal.org/hfc-outlook-eu/

[2] https://www.umweltbundesamt.de/themen/co2-emissionen-pro-kilowattstunde-strom-2023

Der Einsatz von Wärmepumpen kann also gegenüber fossilen Heizungen deutliche CO₂-Einsparungen realisieren. Trotzdem sollen in der EU immer weniger Kältemittel mit hohem Treibhauspotential verwendet werden. Hierzu wurde die Europäische F-Gase Verordnung (2024/573) in ihrer Fassung vom 20.02.2024 nochmals verschärft[1].

Die F-Gase Verordnung unterscheidet dabei einerseits die Verwendung von Kältemitteln beispielsweise für die Wartung oder Reparatur von Kälteanlagen, Klimaanlagen und Wärmepumpen im Bestand sowie andererseits das Inverkehrbringen von neuen Anlagen, welche die Kältemittel enthalten.

[1] https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2024/573

Verwendungsverbote

Folgende Tabelle zeigt die GWP-Grenzen für Verwendungsverbote für Kälteanlagen sowie für Wärmepumpen und Klimaanlagen. Alle AWN-Produkte, die Kältemittel führen, sind Wärmepumpen.

Für aufbereitete oder recycelte Kältemittel treten die Verwendungsverbote erst verzögert in Kraft.

 Für Aereco-Produkte werden heute Kältemittel mit einem GWP von maximal 2.088 verwendet. Diese werden zudem zeitnah durch niedrigere GWP abgelöst. Die derzeit formulierten Verwendungsverbote bedeuten also für Abluft-Wärmepumpen von Aereco keinerlei Einschränkungen in der Wartung.

Inverkehrsbrinungsverbote

Anhang IV der F-Gase Verordnung listet Fristen für das Inverkehrbringen durch die Hersteller auf und unterscheidet auch hier unterschiedliche Anlagentypen. Auch hier gelten die AWN-Systeme von Aereco als Wärmepumpen mit teilweise kleiner oder größer 12 kW Nennleistung.

Folgende Tabelle zeigt die GWP-Grenzen für Inverkehrbringungsverbote für verschiedene Anlagentypen. Alle AWN-Produkte, die Kältemittel führen, sind Wärmepumpen. Für diese gelten abhängig von deren Nennleistung erste relevante Verbote ab 1.1.2027. Dann dürfen Wärmepumpen mit einer Nennleistung bis zu einschließlich 12 kW nur noch mit Kältemitteln mit einem GWP < 150 hergestellt werden. Ab 1.1.2032 dürfen für diese Kategorie gar keine F-Gase mehr sondern nur noch natürliche Kältemittel eingesetzt werden.

Aereco bietet im Bereich AWN ausschließlich in sich geschlossene Wärmepumpen an. Splitsysteme werden anders reguliert (Anhang IV, Absatz 9).

Auch Förderprogramme schränken die Förderung bei Einsatz von Wärmepumpen oder Klimaanlagen teilweise auf bestimmte Kältemittel ein. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Programme im Rahmen der Bundesförderung Effizienter Gebäude (BEG), Stand 01/2023:

[1] https://www.qng.info/app/uploads/2024/07/QNG_GMS_Anhang_33_Sonderberechnungsvorschrift_F-Gase_-revBWI5.pdf

Hinweise zur Neubauförderung

Im Anhangdokument 3.1.3 „Schadstoffvermeidung in Baumaterialien“ heißt es in Abschnitt 13.3: „Es ist nur der Einsatz natürlicher Kältemittel gemäß AMEV Kälte 2017 Tab. 4 sowie als zukunftsicher bis 2030 eingestufte Kältemittel gemäß AMEV Kälte 2017 Tab. 3 zulässig“

Für diese Regelung besteht seit Oktober 2022 eine Ausnahme, auf welche an dieser Stelle nicht hingewiesen wird. Diese besagt:

„Abweichend zur QNG-Kältemittelanforderung dürfen QNG-Plus und QNG-Premium auch Gebäuden zuerkannt werden, welche die QNG-Kältemittelanforderung nicht erfüllen, wenn ergänzend zu den LCA-Bilanzierungsregeln des QNG gemäß der Anhangdokumente 3.1.1 und 3.2.1.1 die Regelungen der Sonderberechnungsvorschrift F-Gase angewandt werden.“[1]

Sofern ein QNG-Siegel angestrebt wird, muss das verwendete Kältemittel – sofern nicht natürlich oder zukunftssicher – also in der Lebenszyklusanalyse für das Gesamtgebäude mit berücksichtigt werden.

Hierzu wird die Füllmenge des Kältemittels mit seinem Treibhauspotential sowie in der Berechnungsvorschrift vorgegebenen jährlichen Emissionsfaktoren multipliziert und durch die Nettowohnfläche des Gebäudes geteilt.  Die anzusetzenden Bezugsgrößen für die Bilanzierung aller Aereco AWN-Produkten finden Sie im Abschnitt Einordnung von Aereco Abluftwärmepumpen.

[1] https://www.qng.info/app/uploads/2024/07/QNG_GMS_Anhang_33_Sonderberechnungsvorschrift_F-Gase_-revBWI5.pdf

Stand 2024 enthalten die Abluftwärmepumpen von Aereco allesamt die nicht brennbaren und nicht toxischen Sicherheitskältemittel R513A und R410A. Die F-Gase-Verordnung legt ein Ende des Inverkehrbringens von Wärmepumpen mit diesen Kältemitteln bis zum 1.1.2027 fest.[1]

[1] https://data.consilium.europa.eu/doc/document/PE-60-2023-INIT/de/pdf

F-Gase-Verordnung

Für unsere Wärmepumpen ≤12 kW Nennleistung dürfen zudem ab 2032 auch keine fluorierten Kältemittel verwendet werden. Ein Umstieg auf Propan (R290) wird sich somit in diesem Leistungsbereich bei nahezu allen Wärmepumpentypen durchsetzen.

Für den Leistungsbereich über 12 kW Nennleistung bleiben Kältemittel mit GWP<150 auch über 2032 hinaus erlaubt.

Für R513A und R410A besteht kein Nachfüllverbot. Instandhaltung oder Wartung von Wärmepumpen mit Kältemitteln mit GWP unter 2.500 (GWP R513 = 631, GWP R410A = 2.088) ist unbegrenzt erlaubt. Es gibt hier also keine Einschränkung für AWN-Produkte von Aereco.

Förderung

Die Förderung im Klimafreundlichen Neubau bei Inanspruchnahme eines QNG-Siegels ist auch mit den bislang verwendeten Kältemitteln R410A / R513A möglich. (Siehe Abschnitt Kältemittel in Förderprogrammen)

Zur Berechnung des relevanten Bezugswerts für die Lebenszyklusanalyse ist lediglich die Bilanzgröße des jeweiligen Gerätes BG_ges auf die Netto-Raumfläche des Gebäudes (DIN277) zu beziehen. Daraus ergibt sich dann, gemäß der Sonderberechnungsvorschrift F-Gase, die bezogene Bilanzgröße bezBG_ges in kg CO₂/m²a für das eingesetzte Kältemittel in folgender Tabelle.

Kältemittelumstellung bei Aereco

Auch Aereco wird fristgerecht auf neue Kältemittel umstellen.

Jedoch bringen alle Alternativen zu den bislang verwendeten Sicherheitskältemitteln eine höhere Brennbarkeit mit sich. Die damit einhergehenden Risiken lassen sich jedoch organisatorisch und technisch handhaben, um die gestellten Sicherheitsanforderungen einzuhalten.

Selbstverständlich legen wir bereits heute höchsten Wert darauf, einem potenziellen Austreten von Kältemittel aus unseren hermetisch geschlossenen und dichtheitsgeprüften Kältekreisen soweit möglich vorzubeugen.

Aereco entwickelt derzeit Lösungen mit neuen Kältemitteln, die in den Jahren 2025 und 2026 verfügbar sein werden.

Folgende Tabelle gibt einen Überblick über alle bislang und zukünftig verwendeten Kältemittel in AWN-Produkten von Aereco sowie deren Einordnung.