Anlage Taunusheizer

Ausgangssituation

Das Haus

Es handelt sich um eine Doppelhaushälfte in Idstein/Untertaunus BJ 1990 (Normaussentemperatur -12 oder -14°C?) mit 2 Stockwerken, einem ausgebauten Dachgeschoss, Keller und Wintergarten sowie Garage:

• Keller ca. 65m² (Waschküche, Hobbyraum, Heizungsraum sowie Flur mit Hausanschluss) unbeheizt.
• Erdgeschoss ca. 70m² (Wohn-/Esszimmer, Küche, Gäste-WC, Flur, Abstellraum und Wintergarten) Fußbodenheizung
• Obergeschoss ca. 65m² (Bad, drei Zimmer, Flur) Fußbodenheizung
• Dach ca. 65m² Grundfläsche ein Raum ohne Drempel. Kaminofen

Der Keller besteht aus Hohlblocksteinen und liegt komplett im Erdreich.
Die Außenwände bestehen aus 30cm Klimaleichtblock. Innen Gipsputz, Außen Zementputz.
Das Dach ist ein Satteldach mit ca. 36° Neigung, Zwischensparrendämmung mit Mineralwolle 14cm und Betonpfannen.
Die Holzfenster sind nicht besonders dicht, wurden damals aber mit besserem 2-Scheiben Isolierglas ausgestattet.
Auf den Dächern befinden sich ca. 14kwp Photovoltaik.

Der Wärmeerzeuger mit WW

Momentan ist ein Viessmann 18kW Niedertemperatur Gas Edelstahlkessel mit Abgasklappe installiert. Warmwasser wird in einem 160L Edelstahl Verticell Brauchwasserspeicher bereitgestellt. Die Regelung der Vorlauftemperatur erfolgt über die serienmäßige Trimatic-MC rein Aussentemperaturgeführt.

• Leistung 18kw, leider 200% überdimensioniert, mittlerweile auf 13kw gedrosselt.
• Gasverbrauch ca. 20.000kwh/a für Hzg. und WW
• Stromverbrauch ca. 120kwh/a für Kessel, Pumpen und Regelung
• Takt an:120 - 150s Takt aus: je nach Witterung, insgesamt 40.000 Takte/a
• WW Ladepumpe zum Brauchwasserspeicher
  • WW-Temperatur:54°C
  • Ladung 2* täglich morgens und abends
  • lange Zirkulationsleitung ganztägig durch Schwerkraft
  • Verteilung in der Waschküche unter der Küche
• geregelter Mischerkreis zur Fußbodenheizung im EG und 1.OG
  • Pumpe IMP NMT-ER 25/40 auf Stufe I bei einem Durchfluss von ≈0,9m³/h
  • Heizkurve Steigung 0,2
  • Heizkurve Anhebung +6K
  • Temperatur Soll -1K 24h
  • In der Übergangszeit Laufzeit nur 6h
• Pumpenkreis zu zwei Radiatoren im Keller
  • wird bisher nicht genutzt

Die Fussbodentemperierung

Anscheinend hatten wir damals mit dem Heizungsbauer Glück. Er hatte sein Gewerbe zwar im Nebenerwerb laufen, war aber hauptamtlich als Meister in einer sehr großen Firma für die Klima und Heiztechnik zuständig. Leider liegen mir keine Berechnungen der Fußbodenheizung vor. Aus der Erinnerung weiß ich aber noch, dass er für jeden Raum unterschiedliche Längen berechnet hatte, die Rohre als Schnecke verlegt wurden es keine festen Verlegeabstände gab, er allerdings für jeden Raum einen Verlegeplan hatte. Die Rohre wurden an den Außenwänden enger und zur Raummitte mit immer größerem Abstand verlegt. Im Bad liegen auch Rohre unter Dusche und Badewanne.
Der Bodenaufbau besteht aus 3cm Aluminiumkaschierten Styroporplatten, darauf wurden ca 950m Rohre getackert, das ganze dann mit 7 cm Anhydridestrich umschlossen. Die Längen und Durchflüsse der einzelnen Kreise sind mir nicht bekannt, die Flowmeter sind nicht mehr durchsichtig. Allerdings werden alle Räume bei niedrigen Vorlauftemperaturen gleichmäßig warm.

• Anbindung der beiden Verteiler über 28*1 Cu Rohr
• Rohr im Boden Kunststoff 20*2 nicht diffusionsdicht.
• T_vor 24-32°C (bei -12°C T_aussen und ΔT von 2-5K
• Raumtemperatur 21,5°C ± 0,5K
• 7 Heizkreise im EG
  • Küche
  • Wohn/Essszimmer Aussenwände
  • Wohnzimmer
  • Esszimmer
  • Flur
  • Gäste-WC
  • Wintergarten (wird nur bei Dauerfrost beheizt)
• 5 Heizkreise im EG
  • Schlafen
  • Kind1
  • Kind2
  • Bad (auch unter Dusche und Wanne)
  • Flur

Planung

Folgende Ziele werden vom Umbau der Anlage erwartet.

Ziele

• weg von fossilen Energien
• WW Verluste reduzieren
• genügend WW für den WAF
• Feuchteentzug im Keller wärend der Sommermonate
• Nutzung Abwärme der Wechselrichter
• Reduzierung der Umgebungstemperatur des Gefrierschranks
• erhöhung Eigenverbrauch der PV
• günstige Kühlung im Sommer
• Plusenergiehaus
• reduzierung der laufenden Kosten für Energie
• Unabhängigkeit von Versorgern
• Ausfallredundanz des Wärmeerzeugers.
• WW und warmes Haus bei Stromausfall

Annahmen und Messungen

Hier folgen einige Messungen, Berechnungen und daraus resultierende Annahmen.

Warmwasser

Durch die Schwerkraftzirkulation, den vorhandenen Brauchwasserspeicher und die langen Rohrverbindungen zwischen Heizungskeller und Wasserverteilung geht täglich viel Energie verloren. In der Regel wird sehr wenig warmes Wasser benötigt, ich benötige zum Duschen in der Regel 12-15L, maximal auch mal 50L, dies entspricht bis zu 2kwh Energie, eine kwh gehen in der neuen BWWP je Tag verloren. Jedoch ist der WW-Verbrauch an manchen Tagen bei bis zu drei Personen wegen dem WAF oder einem seltenen Wannenbad im Winter anders. Um den Speicher wieder aufzuheizen werden zur Zeit im Sommer ohne Verbrauch 13kwh/d Gas beötigt, bei Verbrauch durch Duschen sind es dann 14-15kwh/d.
Im Sommer steigt die Luftfeuchtigkeit im Keller auf bis zu 70%, dies könnte durch eine Brauchwasserwärmepumpe verhindert werden. Durch die Installation der BWWP in der Waschküche entstehen sehr kurze Wege, WW kann in Zukunft auch von der Spülmaschine und der Waschmaschine genutzt werden. Auf eine Zirkulationsleitung kann verzichtet werden. Durch die geringe Leistungsaufnahme von 300W kann ein hoher PVEigenverbrauch erreicht werden. Durch den niedrigen Wasservorrat von 80L entsteht ein hoher Durchsatz. In den wenigen Fällen, in denen wegen des WAF mehr warmes Wasser benötigt wird, kann dies durch einen nachgeschalteten elektronischen Durchlauferhitzer kostengünstig (Absolut übers Jahr gerechnet)bedarfsgerecht erzeugt werden.
Bei durchschnittlich 3kwh Q_WW rechne ich bei einer Arbeitszahl von 3 mit Q_elek von durchschnittlich 1kwh also 365kwh/a aus überwiegend PV-Strom bei einer Reduzierung Q_Gas von 180*13kwh+185*8kwh≈4.000kwh/a.
Zusätzlich 20d*100L*20K/90 etwa 440 kwh/a zusätzlichen Strom ür den DLH. Insgesamt würden ca. 800kwh benötigt, wovon vermutlich 300kwh durch PV Eigenverbrauch gedeckt werden können.

Temperierung des Hauses

Momentan gehe ich davon aus, dass die Geisha das Haus ohne WW und ohne Hezstab monovalent alleine unter allen Umständen erwärmen kann, zur Not gibt es noch Pullover, den Ofen im DG oder ich stelle ein paar Kerzen auf. Weiterhin bleibt auf jeden Fall der alte Gaskessel noch eine Heizperiode stehen, zumindest bis ich gesehen habe wie die Kleine sich im Kernwinter bei mehreren Tagen Frost schlägt.

Wärmebedarf und Leistung der Geisha

Durch die Takterei, die Nichtnutzung des Brennwerteffekts, Raumluftabhängige Zuluft und damit ein Loch in der Kellerwand führen zu geschätzten 70-80% Wirkungsgrad und Wärmeverlusten. Mit 18 bzw. 13kW ist der momentane Kessel hoffnungslos überdimensioniert. Da ich seit zwei Jahren den Gasverbrauch annähernd täglich ablese und auch davor an den kalten Tagen diesen beobachtet habe, weiß ich, dass der Kessel folgende Gasverbräuche (inkl. WW) hat wenn die Aussentemperur morgens folgende Werte hat

• +10°C eingeschränkte Laufzeit 50kwh/d
• +10°C 24h Betrieb 80kwh/d
• +5°C 24h Betrieb 80-100kwh/d
• +2°C 24h Betrieb 90-110kwh/d
• 0°C 24h Betrieb 100-110kwh/d
• -5°C 24h Betrieb 110-130kwh/d
• -11°C 24h Betrieb 120-140kwh/d

In den letzten dei Jahren lag der Verbrauch nie höher als 140kwh/d, an zwei aufeinanderfolgenden Tagen nie höher als 260kwh. Zudem scheint bei tiefen Minusgraden tagsüber die Sonne was zu Wärmeeinträgen vor allem durch den Wintergarten führt. Bei den gemessenen Verbräuchen fällt auf, dass diese bei hohen Plusgraden relativ hoch sind, darunter aber kaum noch steigen. Weiterhin habe ich bei verschiedenen Außentemperaturen früh morgens die Temperaturen des Vor- und Rücklaufs sowie die Taktzeiten gemessen(ohne WW), hier lagen die Temperaturen z.B bei -11°C im Durchschnitt während einem Takt bei 31,5/26,8° ΔT=4,7K Einem Takt 2:53m an und 5:27m aus sowie einem Verbrauch in diesen 8:20 Minuten von 785Wh, dies entspricht 5652W Gas, bei angenommenen 80% Wirkungsgrad 4520W abgegebene Leistung. Rechnet man mit dem ermittelten Durchfluss der UWP in Höhe von ≈0,8m³/h kommt man in diesem Beispiel auf eine abgegebene Leistung in Höhe von 4360W
Bei den gemessenen Temperaturen (PT1000 Anlegefühler) sollte die Geisha auch bei -14°C eine Leistung von 5kw bringen.
Somit gehe ich davon aus, dass die Leistung ausreichend ist.

Energiemenge Arbeitszahl und Kosten

Bei den niedrigen benötigten Vorlauftemperaturen von z.B 32°C bei -12°C Außentemperatur, ansonsten meistens zwischen 26 und 28°C und ohne WW Bereitung sollte eine für eine LWP hohe Arbeitszahl möglich sein. Panasonic gibt folgende COP Werte an:
Leistungszahl COP

• A-7/W35 3,38
• A2/W35 3,87
• A10/W35 5,49

Der Arbeiszahlenrechner des Bundesverband Wärmepumpe e.V. http://www.waermepumpe.de/jazrechner/ ergibt bei 35/30 eine JAZ von 4,35 bei 30/25 von 4,52, leider können dort keine Zwischenwerte angegeben werden.
Momentan läuft die eingebaute UWP (max 4m/0,4 Bar) auf Stufe I mit einem errechneten Durchfluss von ≈0,8m³/h, dieser wurde anhand von Verbrauchsmessungen des Kessels mithilfe des Schornsteinschalters und offenem Mischer über 30m ermittelt, während dieser Zeit blieb die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf gleich. Bei einer Leistungsaufnahme des Kessels in Höhe von 15,5kW, einem ΔT=13,6K und einem angenommenen Wirkungsgrad des Kessels in Höhe von 0,81 ergab sich ein Durchfluss von 0,8m³/h, auf Stufe III bei niedrigerem ΔT in Höhe von 8,18K ca. 1,2m³/h
Somit ließe sich bei steigender Durchflussmenge die Vorlauftemperatur noch weiter senken, mit der stärkeren UWP der Geisha sollten höhere Durchflüsse ebenfalls kein Problem sein. Messen muss man nach der Installation inwieweit ein höherer Durchfluss und damit niedrigere Vorlauftemperaturen bzw. ein ΔT<5K sich auf die Arbeitszahl auswirkt.
Zieht man von dem Momentanen Bezug an Gas in Höhe von 20.000kwh, den WW-Anteil von 4.000kwh ab und rechnet mit einem Wirkungsgrad des Kessels über die Heizperiode von 75%, ergibt sich für das Haus aktuell ein Wärmebedarf von 12.000kwh/a
Über den Dicken Daumen, Schätze ich, dass die Geisha 5000kwh mit einer AZ von 5, 4000kwh mit einer AZ von 4 und Geisha 3000kwh mit einer AZ von 3 erzeugen kann. Hieraus würde sich Stromverbrauch für Wärme in Höhe von 3000kwh ergeben.
Hiervon können vermutlich 1000kwh über PV-Eigenverbrauch gedeckt werden, sodass zusätzlich 2000kwh bezogen werden müssen.

Das Konzept

Warmwasser

Es wird eine Ariston Nuos80 Brauchwasserwärmepumpe mit nachgeschaltetem elektronischem Durchlauferhitzer in der Waschküche installiert. Von hier aus gibt es sehr kurze Wege zur Waschmaschine, Küche und zu WC/BAD. Auf eine Zirkulation kann dann vermutlich verzichtet werden.
Therotisch könnte die Geisha das WW mitmachen, im Winter jedoch mit schlechtem COP. Im Sommer steht genügend PV zur Verfügung. Die BWWP kann diese aber wegen der geringeren Leistung besser nutzen. Außerdem wird die Feuchtigkeit und Temperatur im Keller reduziert. Der Gefrierschrank kann effizienter arbeiten.

Wärmeerzeuger Primär

Es wird eine Geisha geben, den Monoplock WH-MDC05F3E5 von Panasonic

• Diese wird im Normalfall mit dem gesamten Volumen direkt in den Fussbodenkreis einspeisen
• Bei PV Überschuss oder bei höheren Aussentemperaturen zusätzlich einen vorhandenen 800L Puffer erwärmen
• Nachts zusätzlich den Puffer entladen.
• Ein vorhandener 300L Bivalenzpuffer (Gas oder Pellets) bei < -10°C T_aussen die Geisha unterstützen

Regelung

• Die Regelung der Fußbodentemperierung erfolgt über eine UVR-1611
• Umschaltung Heizen/Kühlen erfolgt über die UVR-1611

Die Einflussnahme der Umgebungstemperatur und Sonneneinstrahlung, bzw. des PV Überschusses ist noch nicht endgültig geklärt.

• Über den Wärmepumpenmanager erhält die Geisha eine flexible Ansteuerung, es stehen zwei Optionen zur Auswahl
• Sie erhält von der UVR die Leistungsanforderung anhand der Sonneneinstrahlung und Temperaturen
• Sie hat Ihre eigene Kennlinie und erhält von einem Einspeise und Verbrauchszähler Impulse um den Überschuss zu nutzen.
• Sie hat Ihre eigene Kennlinie und erhält von einem RasberryPi Impulse um den Überschuss zu nutzen.

Wärmeerzeuger Sekundär

• Dieser wird voraussichtlich nicht gebraucht.
• Im ersten Step bleibt der vorhanden Gaskessel für eine Heizsaison als Backup bzw. Notreserve installiert, die Grundgebühr für Gas ist überschaubar.
  
• Für die Zukunft wird eventuell ein Raumluft-unabhängiger Pelletofen entweder im Dach oder im dann leeren Heizungskeller installiert. Dieser soll in Verbindung mit der PV und einem zu installierenden Batteriespeicher als Katastrophenbackup dienen. Weiterhin könnte er

als Bivalenzsystem bei tiefen Temperaturen die Geisha unterstützen. Auch könnte er als primärer Wärmeerzeuger anstelle des jetzt vorhandenen Ofens im Dachgeschoss fungieren. Bei zukünftigen Spitzenlasttarifen für Strom die Kosten senken. Weiterhin bei einem Ausfall der Geisha im Kernwinter ohne Support eines Heizies das schlimmste verhindern. Der rechnet sich wahrscheinlich nie, würde aber beruhigen.

Umsetzung

Leider muss ich zwischendurch noch etwas arbeiten und die Geisha hat nicht die höchste Priorität

Erledigt

• Die BWP Nuos ist geliefert und hängt an der Wand
• Die Geisha ist bestellt

nächste Schritte

• Derzeit wird die Warmwassererzeugung und Verteilung umgebaut.
• Abbau der Kalt- und Warmwasserleitungenen zur Waschüche
• Abbau des zweiten Heizkreises zu den Radiatoren im Keller
• Installation UVR1611
• Installation Geisha
• Installation Puffer, Mischer
• Anbindung Geisha
• Auftrennung Heizkreis Gasbüchse-FBH

Optional

• Kündigung Gas und abbau Gasbüchse
• Installation Pelletofen
• Anschluss FBH an neue Puffer/Mischer
• Abbau alten Brauchwasserspeicher, Anschluss Gasbüchse an Bivalenzpuffer.