Anlage Rebirama

Hier soll die Dokumentation einer neuen Anlage entstehen.

Ausgangssituation (bis 03-2022):

• EFH BJ 2014, 170m², KFW70 (nach 2010).
• Gas-Brennwert-Therme Wolf CGB 20 (20kW Gerät für ~7kW Heizlast, ohne Worte...)
• Solarthermie (ST) zur Brauchwassererwärmung
• 300l Warmwasserspeicher (Flamco Duo Solar 18227) wird beladen
  • oben: von der Büchse über 0,8 m² Wärmetauscherfläche (eigentlich ungeeignet für WP, da zu klein)
  • unten: von der ST, 1,4m² Wärmetauscherfläche
• Warmwasserzirkulation: vorhanden, aber ohne Pumpe, nur Konvektion.
• Photovoltaik auf dem Dach (8 kW) + Bat. Speicher.
• Komplett FBH - mit ERR, 21 Heizkreise verteilt auf 3 Heizkreisverteilern, 1/Sockwerk (UG, EG, OG). Der Installateur hatte diese auf 1-1.7l pro Kreis abgeglichen, die Kreise sind bis auf wenige Außnahmen ähnlich lang (50-70m). Der theoretische gesamtfluss ist bei ca 1300l/h, wobei nie alle kreise gleichzeitig offen sind.
• Die Verteilerleitungen sind in MVR 26x3 ausgeführt. Im Heizraum im UG ist ein T-Stück, von dort gehts einmal zu den beiden Verteilern in EG und OG, der zweite Abzweig führt zum UG-Verteiler.
• Zentrale Lüftung mit WRG im Dachboden verbaut.

Motive

• Erd-Gas hat bedingt durch den Klimawandel keine Zukunft.
• Die Erdgaspreise ziehen schneller an als die Stromkosten
• Keine Wartungs- und Schorni-Kosten, keine Gas-Grundgebühr.
• Erdgas ist aktuell politisch gar nicht gut. (Stand 2022)
• Ich bastel gerne, arbeite mich gern in neue Themen ein und technischer Background ist vorhanden.

Sonstiges

Der Warmwasserspeicher hat 2020 Probleme gemacht, es kam kaum noch heißes Wasser raus. Diagnose: Warmwasserauslass verkalkt. Vermutlich war der Temperaturfühler defekt (zeigt zu niedrige Temperatur) und hat den Speicher längerfristig unbemerkt auf >>60°C aufgeheizt. Durch das kalkhaltige Wasser(16°dH) und die Dauer-Konvektion ist der Abgang und auch die Zirko ordentlich zugekalkt. Ein angefragter HB. "Entkalken lohnt nicht, wir würden einen neuen Speicher einbauen". Entkalkt wurde dann in Eigenleistung mit ich glaube 5kg Fernox. Vorher wurde das Spundloch des Speichers aufgeschraubt und der gröbste Bodensatz mit dem Nassauger rausgeholt. War erstaunlich wenig drin, keine großen Ablagerungen. Anschließend ne riesen Panscherei mit der Fernox-Säurelösung, Mg Anode auf Vorrat gekauft und getauscht, aber die alte war eigentlich noch fast neu nach 7 Jahren. Auch beim Blick in den Speicher ist mir keine Korrosion begegnet. Ist jetzt wieder top in Schuss :-).

Abschätzung der Heizleistung:

Laut der der Heizlastrechnung aus der Planungsphase des Hauses von 2013 braucht das Haus 7kW bei -16°C NAT und 35°C Vorlauftemperatur, das deckt sich auch in etwa mit dem Energieausweis für die EnEV. Inzwischen wurde die NAT um +2°C angehoben --> 0,7kW weniger Heizlast. Es gibt viele bodentiefe Fenster nach Süden (solare Gewinne). Alle Räume werden beheizt (auch UG) und genutzt. In den letzten paar Jahren wurden immer ca 11.-12.000kWh Gas verbraucht. Der Anteil der Warmwasserbereitung ist unbekannt. Nach der (2.) Schweizer Formel kommt abgeleitet aus dem Gasverbrauch eine Heizlast von 4-5kW raus. (Keine Ahnung wie man dort die Solarthermie vernünftig berücksichtigen kann).

Erkenntnisse:

Heizlast, Volumenstrom und Vorlauftemperatur sprechen für die 5kW Panasonic (8kW, wenn man den Heizstab mitrechnet).

Der Warmwasserspeicher mit Solarthermie sind suboptimal: Die 0.8 m² Wärmetauscherfläche im Warmwasserspeicher ist eigentlich zu klein. Ich probier es trotzdem aus. Fürs gute Gefühl bekommt der Speicher noch einen autonomen 3kW Thermostat-Heizstab für den Notfall. Das wendet die Scheidung ab, wenn die Wärmepumpe mal streiken sollte.

ERR Kommt raus bzw wurde schon teilweise stillgelegt. Nach der Umrüstung müssen vermutlich die Volumenströme nachjustiert werden.

Die Konvektions-Zirkulation zu behalten wäre wegen der Wärmeverluste eine Katastrophe. Stilllegen geht nicht (das schöne Bad im OG aufstemmen...). Zweitbeste Lösung: Zirko-Pumpe einbauen. Ein Shelly steuert diese nach Zeitplan je morgens und abends wenn die Familie im Bad ist. Eventuell noch eine WiFi-Taste spontane Warmwasseranforderungen.

Planung

Grobplanung

1. Elektro-Vorarbeiten
2. WW-Speicher mit Heizstab ausstatten und Zirko-Pumpe mit Zeitschaltung nachrüsten
3. Panasonic WP Aufbau und Verrohrung bis zur Therme. Elektrik.
4. nach Ende der Heizperiode: Gas-Therme stillegen
5. Panasonic Wärmepumpe hydraulisch verbinden, direkt auf die FBH, bzw WW-Speicher über 3-Wege-Ventil
6. Winter 2022/2023: ERR komplett entfernen, thermischer Abgleich
7. Sommer 2023: Ausbau der Gastherme und Abmeldung Gasanschluss.
8. irgendwann: Speicher tauschen/umbauen, Solarthermie zurückbauen und PV erweitern.

Abschätzung Druckverluste bis zum kritischsten Heizkreis

Element	Anzahl	Druckverlust
MVR 32mmx3 (@1200l/h),	15m	30mbar
90° Pressfit-Bögen, 32mm (zeta 2,9), @1200l	8	21mbar
Wärmemengenzähler techem ultra S3 plus (qn 2.5) @1200l/h	1	40mbar
3-Wege (= Motor-Kugelhahn, Verengung auf ca 17mm...) @1200l/h	1	ca 7mbar
MVR 26x3, @780l/h, +50% Sicherheit	20m	130mbar
MVR 26x2, @480l/h, +50% Sicherheit	8m	21mbar
FBH-Rohr Kind1, 1v2, @2l/h, 17*2	69m	57mbar
Summe		285mbar

Elektro Vorarbeiten

Im Verteiler werden neue Sicherungen installiert (16A sollten reichen):

1. für "Netzanschluss 1", über Hutschienenzähler
2. für "Netzanschluss 2", (der Heizstab der Pana)
3. für WW-Speicher, dort wird die Zirkulationspumpe und der Notfall-Elektro-Heizstab angeschlossen

Eine 5*2,5mm Leitung wird von dort zu den Verbrauchern gezogen. Die in der Installationsanleitung geforderten 1.5mm wäre zu knapp gewesen für 16A je nach Verlegeart. Neben dem Speicher wird eine Doppelsteckdose für Heizstab und Pumpe installiert.

WW-Heizstab und Zirko

Einbau 2,4kW Heizstabs mit eigenem Thermostat ( *VULCANIC* von Triatherm, 30€ von Kleinanzeigen, allein der geile Name ist das Geld wert :-D). Der WW-Heitzstab Teil des Plan B, falls der Panasonic die Puste ausgehen sollte. Die Zirko-Pumpe (Wilo Star-Z NOVA A) kommt in den Rücklauf der Zirko-Leitung und bringt praktischerweise gleich Rückschlagventil und einen Absperrhahn mit. Um die Pumpe zwecks Wartung und Reparatur ausbauen zu können wird eine Pumpenverschraubung spendiert. Eine Shelly-Steckdose dient für die Pumpe als Zeitschaltuhr mit Wochenplan. Da der Regler im Bad für die FBH entfällt, kann dort an diese Stelle ein Taster mit einem Shelly Plus auch Warmwasser-On-Demand bieten (Wenn das Wlan funktioniert)

Einbau der Wärmepumpe 2022-04

Für die Durchführung der Leitung durch die Kellerwand nach drausen wurde ein Kernloch 112mm ca 40cm unter Geländeniveau gebohrt, dort eingeschoben ein DN110 HT-Rohr mit Brunnenschaum abgedichtet. Für die Muffe wird ein Deckel bearbeitet: 2x 32mm Loch für VL bzw RL, 2x 25mm für Kabelrohr. Der Deckel kommt von innen auf die Muffe. Jetzt wird das 32mm Rohr und das Kabel-Leerrohr durchgeschoben, das Heizungswasserrohr bekommt ein Gefälle nach innen, um es Entleeren zu können. Zum Schluss werden die restlichen Hohlräume mit Brunnenschaum geflutet. Rohrisolation mit 15mm (Länge draußen nur ca 80cm, der örtliche Obi hat nix dickeres). Die Pana steht wegen Platzmangel etwas zu nah am Haus: Wandabstand nur 15-20cm (Soll > 30cm). Sie steht auf Bigfoots im Schotterbeet - kein extra Kondensatablauf, hoffentlich versickerts alles im Schotter bzw. der Platz reicht für das sich aufbauende Eis.

Erstinbetriebnahme

Erkenntnisse aus der Erstinbetriebnahme: Test des Wasserdurchflusses: Die gemessenen Volumenströme (grüne Punkte) sind ca 5-10% kleiner als vorab berechnet - theoretisch hätte sich der Durchfluss genau auf den Schnittpunkten befinden müssen. Ich vermute, von den Kennlinien im Service-Manual sind noch die Druckverluste innerhalb der Wärmepumpe abzuziehen. Denke, eine Optimierung ergibt keinen Sinn, denn der Hauptdruckabfall findet in unzugänglichen Teilen statt und der erreichte Durchfluss ist mehr als ausreichend.

Hydraulikkennlinien, berechnet + zwei Messpunkte

24 - 26.04 ein paar Tage Heizbetrieb bei etwa 8°C AT (ganz schön kalt für April): ext. Wärmemengezähler (66kWh) und ext. Stromverbrauch (12,7kWh), AZ = 5,2 yeah :-)

Das interne Schätzeisen in der Pana zeigt eine AZ für Heizung von 7 und für WW ca 3. Bisher keine techn. Probleme bei der Warmwasserbereitung trotz der Mini-Fläche von 0.8m².

Lautstärke: Im Haus nichts zu hören, keine Schallübertragung z.b. durch das Verbundrohr.

Betriebserfahrung Warmwasserbereitung

Jetzt im Juli '22 wurde testweise die Solarthermie stillgelegt und WW ausschließlich mit der WP bereitet. Außentemperatur war im Bereich 15-35°C.

• Gibt es Störungen wegen des zu kleinen Wärmetauschers? Nö, keine Fehlermeldungen. Aber der Betrieb ist suboptimal: Die Vorlauftemperatur steigt relativ zügig auf 59°C und bleibt dort, obwohl der Speicher viel kälter ist. Das führt zu einer Reduktion des Wirkungsgrads. Ein Weiterer Nebeneffekt: Der Temperaturfühler im Speicher reagiert zu langsam (wegen der Trägheit der Hülse des Flamco-Speichers?); deshalb ist das Wasser am Ende des Heizvorgangs heißer als die eingestellte Solltemperatur. In der aktuellen Konstellation ergeben sich dadurch auch rel. viele Kompressorstarts: 4,6 Starts pro Tag für WW laut Zähler. Irgendwie zählt der 2 Starts pro WW-Zyklus, verstehe ich noch nicht ganz+.
• Wie hoch ist der Reale Warmwasserverbrauch? Umgerechnet auf 1 Jahr ca 2000 kWh (für 2 EW + 2 Kinder, nur duschen + Spülmaschine am WW).
• Wie ist der COP bei der WW Bereitung: Schlecht, 2,75 (externe Messung), 3 (interne Anzeige der Pana) und das trotz der hohen Außentemperatur. Aber da die WP nur geschätzt 10% der gesamten Jahresmenge an das Warmwasser abgeben muss, sollte das nicht so tragisch sein.
• Lohnt es sich, den Speicher gegen einen mit Großer Tauscherfläche auszutauschen? Ökonomisch nicht, vor allem da die Solarthermie aktuell viel beiträgt.
• Lohnt sich die Kombination WP + Sorlarthermie für WW? Nein, die ST ist überflüssig, der Geldwert (Deckungsbeitrag) der Solarthermie kann mit etwa 35-120€ / Jahr abgeschätzt werden - je nach Rechenmethode (PV-Strom-Anteil, COP und Strompreise). Er steht damit in keinem rationalen Verhältnis zu den Anschaffungskosten. Rückbau lohnt aber auch nicht.
• Ist der Warmwasserkomtfort ausreichend? Bisher keine Beschwerden. Es hat sich hier Bewährt, dass der Flamco Speicher senkrechtes Röhrchen hat in dem man die Temperaturfühler von oben auf stufenlos auf die Gewünschte Höhe einschieben kann. Heizt die WP zu spät nach, schiebt man den Fühler etwas tiefer rein, oder umgekehrt.

Fazit: Keine Umbauten, solange die Solarthermie läuft und es keine Störungen/Reparaturen gibt. Mal abwarten wie das Fazit nach der nächsten Heizperiode ausfällt.

Update: Der Grund für 2 Takte pro Warmwasserbereitung ist gefunden: Die Wärmepumpte taktet, weil sie die Leistung nicht weg bekommt. Zusätzlich scheint der Fühler verzögert anzusprechen. Hier als Bild:

Unschöne Warmwasserbereitung vor der Optimierung: Hohe Vorlauftemperatur + Taktend

Update 2022-10-15: Die Zirko-Pumpe von Wilo hängt jetzt schon zum zweiten mal (trotz Spülung der Leitung). Werde das Drecksding jetzt mal gegen eine Vortex tauschen.

Kleine Anpassung an der WW-Bereitung mit dem Ziel nur noch einen Takt pro Warmwasserbereitung zu haben:

• Fühler etwas höher in Speicher platziert (Späteres nachladen, mehr kaltes Wasser zu erwärmen)
• Fühler thermisch besser angebunden (eine Feder presst den Fühler jetzt besser innen ans Rohr, dadurch reagiert er etwas schneller)
• Solltemperatur auf 44°C gesetzt damit die WP stopt, bevor sie ins takten kommt. (Real wird das Wasser heißer, da der Fühler zu langsam ist)
• Hysterese auf 4°C gesetzt.

--> Ergebnis: Es läuft ohne Takten. Effizienz ist nicht wirklich besser geworden (WW-COP ~ 2.7) aber kein Weltuntergang, da der WW Anteil überschaubar ist. Bisher keine Beschwerden von den Mädels. Die WP macht ca 3x am Tag WW. Eventuell werde ich noch ein Thermosyphon am WW-Abgang des Speichers nachrüsten. Aktuell zirkuliert das Warmwasser noch von alleine bis zum 1. Wasserhahn (Küchenspüle, direkt über Heizraum)

Verbrauchsdaten

Stichproben des bisherigen Verbrauchs der Gastherme

Jahr	Verbrauch
2014	10,3 MWh
2015	11,0 MWh
2018	11,9 MWh
2019	10,4 MWh
2020	10,4 MWh

Saison 2022/2023 mit WP

Monat	Außentemperatur	Stromverbrauch	Wrämeproduktion	AZ
Oktober '22	+12,5°C	90 kWh	438 kWh	4,87
November '22	+6,5 °C	252 kWh	1184 kWh	4,69
Dezember '22	+2,5°C	484 kWh	1915 kWh	3,96
Jannuar '23	+3,4°C	434 kWh	1859 kWh	4,28
Februar '23	+2,69°C	412 kWh	1697 kWh	4,11
März '23	+6,39°C	269 kWh	1249kWh	4,63
April '23	-	-
Mai '23	-	-
Juni '23	-	-
Juli '23	-	-
August '23	-	-
September '23	-	-
Summe	-	-		(4,3)

Der Stromverbrauch enthält alles mit Heizungsbezug (Wärmepumpe mit Heizstab (deaktiviert) und alle Nebenverbraucher). Die produzierte Wärmemenge ist die Summe aus Heizwärme und Warmwasser. Die geringe Wärmemenge im Sommer erklärt dadurch, dass eine Solarthermie die Warmwassererzeugung weitestgehend übernimmt, und die Anlage nicht vom Wärmemengenzähler erfasst wird (siehe Anlagenschema).

Heishamon Rules

Manchmal, vor allem wenn die Wärmepumpe in der Übergangszeit wegen zu geringem Wärmebedarf nicht kontinuierlich läuft, braucht sie eine Ewigkeit bis die Temperatur soweit gefallen ist, dass sie wieder einschaltet. Diese Hysterese ist zu groß für mein Haus und leider nicht einstellbar. Oft kühlen die Böden bereits unangenehm aus. Es gibt viele Möglichkeiten das zu mildern, z.B. ein "Wärmeintegral": Es wird das Produkt aus Temperaturunterschreitung * Dauer aufintegriert. Wenn ein Schwellwert unterschritten wird (z.b. -900 Grad*Minuten) wird wieder eingeschalten. Dadurch wird die Zeit mit zu niedriger Vorlauftemperatur dynamisch begrenzt, dh. je größer die Unterkühlung, desto schneller wird wieder gestartet. Da die Panasonic-Steuerung diese Funktion nicht hat, hab ich sie in Heishamon nachgebaut:

 on System#Boot then
 	#dtiMax =1001;
 	setTimer(1,60);
 	#dti = 0;
 end
 
 on timer=1 then
 	$TVL = @Main_Outlet_Temp;
   	$TVLT = @Z1_Water_Target_Temp;
 	if $TVL < $TVLT then
 		#dti = #dti + $TVLT - $TVL;
 	else
 		#dti = 0;
 	end
 	if #dti  > #dtiMax then
 		setTimer(2,20);
 		#dti = 0;
 		#hrbackup = @Z1_Heat_Request_Temp;
 		@SetZ1HeatRequestTemperature = #hrbackup + 1;
 	end
         setTimer(1,60);
 end
 
 on timer=2 then
 	@SetZ1HeatRequestTemperature = #hrbackup;
 end  
 

Mit der Variable #dtiMax wir das maximale Integral eingestellt

1. dtiMax = Grad * Minuten

Für mein dtiMax = 1001 wird also bei einer Unterschreitung von 1° nach ca 16 h wieder gestartet, bei 3° schon nach 5:30h.

Rückblickendes Fazit zur Auslegung der Heizleistung

Die Heizleistung der Wärmepumpe wurde im wesentlichen mit der Schweizer Formel ermittelt - eine Schätzmethode. Zusätzlich zur Formel habe ich an einigen zufälligen Tagen im Winter '21/22 von Hand den Gas-Tagesverbrauch und die Außentemperatur notiert und mich daraufhin auf die 5kW Wärmepumpe festgelegt.

Jetzt möchte ich rückblickend betrachten, wie gut die damalige Schätzung dem jetzigen Bedarf entspricht. Für den Vergleich wurde die jetzige Heizleistung (ohne WW) und Außentemperatur aufgezeichnet (Automatisiert, mittels Heishamon + Homeassistant) und grafisch aufbereitet.

Diagramm der Heizleistung der alten Gasheizung im Vergleich zur neuen Wärmepumpe

Fazit:

• Die wirklich benötigte Heizleistung war sogar niedriger als mit der Schweizer Formel geschätzt. Die Leistung der Wärmepumpe reicht vollkommen aus, um den Bedarf bis etwa -17°C ohne Einsatz des Heizstabes zu decken. Das sind 3°C Abstand zur Normauslegungstemperatur (NAT) in meiner Gegend.
• Der damals gemessene Gasverbrauch bei Temperaturen > 0° korreliert schlecht mit dem später gemessenen wahren Heizleistung des Gebäudes. Erst ab Temperaturen unter -5°C ist der Gasverbrauch einigermaßen repräsentativ für die Heizleistung. Die Schweizer Formel resultiert in einer genaueren Auslegung, trotzdem hat mich die Messung des Gasverbrauchs als "Zweite Meinung" in der richtigen Wahl der Größe der Wärmepumpe bestärkt.
• Der Wärmebedarf und die Mindestleistung der Wärmepumpe schneiden sich etwa bei +4°C, etwa dort beginnt die Wärmepumpe unvermeidbar zu takten. Wobei ich das Takten als unkritisch empfinde, da die Ein-phasen eigentlich nie kürzer als 1-2 Stunden sind.