Anlage P.T.Pludge

Die Motivation

40°C im Schatten, und ich muss an den Holzvergaser, um warm duschen zu können?!?

Der Plan

Solarthermie primär für WW-Bereitung im Sommer

Nach näherer Beschäftigung mit der Materie ganz schnell wieder gestrichen... Im Sommer soviel WW, dass das ganze Dorf duschen kann; im Winter sind die 10K Temperaturerhöhung von 5°C auf 15°C nicht nutzbar -> im Jahr 2019 ist das Murx.

PV + Brauchwasserwärmepumpe

Hübsch, warmes Wasser im Sommer, als Goodie ein trockener Keller, dessen Kühle potentiell fürs ganze Haus nützlich sein kann. Aber irgendwie ist das auf halbem Wege stehen geblieben.

Also:

PV + Wärmepumpe

OK, jetzt also das volle Programm: Photovoltaik + eine - auf den ersten Blick überdimensionierte - Wärmepumpe, die ausschließlich mit PV-Strom (damit also laufend kostenfrei) betrieben werden soll.

Die Konzeption

Ist-Stand

Freistehendes 2,5-geschossiges EFH im Erzgebirge auf 650m Höhe, EG 60cm Bruchstein-Wände ohne Dämmung (wird mit Rücksicht auf die Bausubstanz auch nicht passieren), 1. OG mit dünneren Wänden und leichter Dämmung, Dach voll ausgebaut und in den 2000ern gedämmt, halbwindige Lage, NAT -14°C, 240m² Wohnfläche, 2 + 2/2 Personen, Konvektionsheizkörper (Typ 22 / Typ 33), reichlich unverschattete Dachfläche nach SO / 45° Neigung
Holzvergaser 26++kW, Verbrauch ca. 25rm Buche / Jahr
3000l Pufferspeicher
Thermischer Abgleich, VL-Temperatur-Optimierung (dickere Umwälzpumpe, tlw. größere Heizkörper)
Wenig Ahnung von der Materie, aber viel Motivation und Engagement

Soll-Stand

PV, um die WP zu speisen, Rest auf Eigenverbrauch optimiert, keine Einspeisung
Wärmepumpe soll ausschließlich mit PV gespeist werden, zwingend bivalent mit bestehendem Holzvergaser, der im Kernwinter ohne ausreichenden PV-Ertrag zum Einsatz kommt
Reduktion des Holzverbrauchs auf deutlich unter 10rm / Jahr
Weg mit dem Energievernichter ca. 150l WW-Speicher
Möglichst viel der bestehenden Technik (incl. Verrohrung, insbesondere bzgl. der 2x1500l Parallel-Puffer) nutzen
Tolerante, "natürliche" Hydraulik, die möglichst im Notfall auch ohne elektronische Steuerung (ggf. eingeschränkt) nutzbar bleibt; insbesondere keine Speicher-Umlade-Orgien

Erste Anlaufpunkte

Dieses Wiki mit vielen geballten Informationen und Bildern!
Haustechnik-Dialog-Forum - hier sind insbesondere die Foristen lowenergy, skyme, Motzi1968, HFrik, rman, pinot, MSBE, winni2, crink, Donnermeister, KOKON66, ganz besonders OldBo für seine Sisyphus-Arbeit im SHKWissen und viele weitere zu nennen - danke!

Komponenten

Schnell kristallisierte sich heraus: Es sollte eine Aquarea Monoblock, mit der so viele gute Erfahrungen gemacht wurden, werden - doch welche Größe? Nach verschiedensten überschlägigen Berechnungen, sowie auf Basis des Verbrauchs der letzten Jahre und eines leidlich verlässlichen Energieausweises wurde beizeiten klar, dass eine 5kW-Maschine zu klein wird - zumal vor dem Hintergrund, dass sie ausschließlich tagsüber mit PV-Ertrag laufen soll.

Allen einschlägigen Gegenargumenten zum Trotz sollen die Puffer stehen bleiben - sollen sie doch gerade tagsüber die für die Nacht benötigte Wärme speichern. => Zusätzlicher Speicher zu den bestehenden 2x1500l (einfache, parallel angeschlossene, dumme Puffer), in Reihe vor die bestehenden Puffer geschaltet - dies hat folgende Vorteile:

Erhöhung des für den Holzvergaser knapp kalkulierten Puffers -> Komfortgewinn durch zusätzliche 1000l Volumen, nicht mehr auf 2h genau anheizen zu müssen
Der Zusatzpuffer kommt - im Gegensatz zu den Bestandspuffern - in die beheizte Gebäudehülle. Damit sind die unvermeidlichen Verluste zumindest noch als unfreiwillige Wärmequelle für die Heizlast nutzbar, zumal dieser Puffer die höchsten Temperaturen bevorratet.
Der neue Puffer hat eine etwas bessere Dämmung - zumindest vermutlich, da keinerlei Datenblätter zu den alten Puffern vorliegen.

Nach wochenlangen Recherchen und Überlegungen (Hygienespeicher, Zeeh, Sailer, Direktkondensation, Solarbayer, Schichteinrichtung) fiel letztlich die Entscheidung für einfachen, verhältnismäßig preisgünstigen Puffer mit Zwischenplatte, Verwirbelungen an allen Einlässen und Rüssel in den oberen Dom (Oventrop Hydrocor HP 1000)

Frischwasserstation Fristar2WP der technischen Alternative
Panasonic Aquarea T-CAP (H) 9kW - WH-MXC09H3E8
Intesisbox PA-AW2-MBS-1 zwecks Kommunikation via Modbus/RS485
UVR16x2 mit diversen Zusatzmodulen (CMI, CAN-MODB, CAN-EZ2, Wärmemengenzähler mittels Volumenstromsensor FTS-DL uvm.)
diverse Hydraulik-Teile (Microblasen-, Schlammabscheider, Afriso-3-Wege-Ventil, Stahlflex, Kugelhähne, Magnetventil :-( uvm.)
PV-Anlage incl. Batteriespeicher und Zusatzelektronik zur Kommunikation via CAN-Bus / Modbus/TCP zwecks Bestimmung der verfügbaren PV-Energie

Hydraulik

Hydraulik für bivalent-alternative Nutzung eines Hochtemperatur-Holzvergasers und einer Niedertemperatur-Wärmepumpe

Die Hydraulik hat mich viele Wochen beschäftigt. Dabei habe ich mehrere passionierte Heizungsbauer konsultiert und mit meinen Fragen gelöchert. Sie gaben mir viele wertvolle Grundlagen und Hinweise mit - am Ende hatte aber jeder der konkreten Vorschläge irgendeinen Haken, wenn es um das bivalente Zusammenspiel von Holzvergaser und Wärmepumpe ging. Zugegeben: einen Holzvergaser als ausgezeichnetes Hochtemperatur-System mit einer Wärmepumpe, ihres Zeichens ein einwandfreies Niedertemperatur-System zu verheiraten ist eine gewisse Herausforderung, wenn beide Erzeuger in ihrem jeweils passenden Umfeld sinnvoll und effizient funktionieren sollen.

Allen üblichen Ratschlägen im HtD-Forum zum Trotz (insbesondere die strikte Vermeidung von Pufferspeichern) kam dabei dieses Schema heraus, das nach etwas Finetuning erfolgreich in Betrieb ist.

Die Verbindung "Wärmepumpe + Pufferspeicher" ist nur in wenigen Sonderfällen (Bivalenzbetrieb) als Kompromiss akzeptabel, wo man in dem einen Zeitraum sehr kostengünstig oder gar kostenlos Wärme erzeugen kann, diese aber in einem anderen Zeitraum wieder benötigt. Im konkreten Fall ist die (bereits bestehende) bivalente Wärmequelle - ein hervorragend funktionierender Holzvergaser - für eine gute Effizienz auf genügend Pufferspeicher zwingend angewiesen. Trotzdem sollte außerhalb des Kernwinters eine im Betrieb deutlich aufwandsärmere Wärmeerzeugung mittels Wärmepumpe erfolgen.

Umsetzung

Arbeitsplatz

70cm-Konsolen befestigt an 24er Hohlblock mittels eingeklebter M12-Gewindestangen
Durchbrüche
- 2 x KG110 für Vorlauf / Rücklauf incl. großzügiger Dämmung
- 1 x HT50 für allerlei Kabel

Verrohrung + Dämmung

Elektrik & Co.

Die Intesisbox wurde auf einer neu eingezogenen Hutschiene montiert, auf der auch gleich die beiden originalen Sicherungsautomaten und zusätzliche Klemmen für den Anschluss der Afrisos Platz finden:

Optimierung

Entfernung des Ausgleichsbehälters

Der Verkäufer meiner WP bietet das professionelle Abklemmen des Ausgleichsbehälters direkt beim Kauf an.

Mit ein wenig Fummelei und Nachdruck an den richtigen Stellen lässt sich der Ausgleichsbehälter gänzlich entfernen.

Nachträgliche Dämmung der Wärmepumpe

Mit der Entfernung des internen Ausgleichsbehälters ist die Voraussetzung geschaffen, die Dämmung im Inneren der WP zu optimieren. Die WP läuft abhängig vom PV-Ertrag bivalent. D.h. gerade im kältesten Winter ist sie nicht in Betrieb - bis auf den Frostschutz natürlich. Dieser Umstand schreit nach bestmöglicher Reduktion der Wärmeverluste im Inneren der WP.

Selbst die unstrittig tolle Frischwasserstation hat noch ein wenig Platz für nachträgliche Dämmung:

Kondenswasser-Entsorgung

Das anfallende Kondenswasser wird an den bestehenden Öffnungen der Bodenwanne durch halbierte HT-Rohre aufgefangen. Diese Rohre sind an den passenden Stellen so eingeschnitten, dass sie in die Querstege der Bodenwanne eingehängt werden. Anschluss an reguläres Abwasser. Der Härtetest auf Vereisung im Winter steht noch aus.

Minimalistische Verbindung mit möglichst wenig offener Fläche zur Kanalisation
Mit Inspektionsöffnung; Im Boden Reste der Dämmung verwendet
Geköpftes 70er HT-Rohr

Erfahrungen aus dem Betrieb

Mittlerweile hat die Wärmepumpe alle Jahreszeiten kennengelernt.

Auf Grund des milden Winters 2019/2020 konnten Testreihen nur bis zu Tagesmitteltemperaturen von minimal 0°C erfolgen. Bei dieser Außentemperatur werden hier mit einigermaßen großzügig dimensionierten Radiatoren dann im Heizkreis ca. 40°C Vorlauf benötigt. Die WP macht das klaglos - allerdings sinkt dann die Arbeitszahl in Richtung 3...

Im realen Betrieb wird unter einer Durchschnitts-Außentemperatur von 5°C mit dem HV geheizt, darüber wird auf Basis des erwarteten PV-Ertrags und erwarteter Tages-Maximaltemperatur über einen WP-Einsatz entschieden. An besonders warmen / sonnigen Wintertagen wird die WP "manuell" (per UVR) ergänzend betrieben, um so den nächsten Holzvergaser-Einsatz ein paar Stunden zu verzögern. Mit dem derzeitigen Setup wird die WP bis zur persönliche Schmerzgrenze einer Arbeitszahl von 4 bei einer durchschnittlichen Außentemperatur von ca. 7°C betrieben.

Pufferbetrieb

Die Wärmepumpe speist tagsüber bei hoher Außentemperatur und hoher Arbeitszahl die Puffer (insgesamt für Heizung nutzbar ca. 3.500l), zwecks Erhöhung der eingelagerten Wärmemenge mit einer Überhöhung von 2-5K. Damit wird ein Nachtbetrieb mit niedrigeren Arbeitszahlen vermieden.

Im Winter arbeitet aber alles gegen diese Optimierung:

Jedes Grad Überhöhung schlägt sich bei niedrigen Außentemperaturen massiv in der Arbeitszahl nieder.
Durch den erhöhten Wärmebedarf reichen bei Außentemperaturen um 0°C die Puffer trotzdem für max. 8h.
In den restlichen 16h ist es meist weder hell genug für nennenswerten PV-Ertrag, noch unterscheiden sich häufig die Tages- und Nacht-Außentemperaturen so deutlich, dass tagsüber deutlich höhere Arbeitszahlen zu erzielen wären.

Für die erste Evolutionsstufe ist der Pufferbetrieb akzeptabel, zumal die bivalente Wärmequelle überaus günstig betrieben werden kann.

Nach der Erfahrung einer milden Wintersaison ist es fraglich, ob der Effizienzgewinn durch erhöhte Tages-Außentemperatur wirklich so hoch ist, dass ein gleichmäßiger 24h-Einsatz (überdies dann in modulierter Teillast statt in den wenigen Tagstunden mit Volllast) immer noch ungünstiger ist. Wenn man dann sogar noch mit Nachtabsenkung im Heizkreis arbeitet (wie das bei meiner relativ schlecht gedämmten alten Hütte der Fall ist), fallen die niedrigeren Nacht-Außentemperaturen noch weniger ins Gewicht.

Daher steht im Rahmen weiterer Änderungen im Heizungsumfeld die Überlegung eines Umbaus, so dass im Winter die Wärmepumpe an den Puffern vorbei direkt den Heizkreis speist, während in der Übergangszeit die Puffer genau ihren oben dargestellten Zweck erfüllen.

Als Nebeneffekt wäre eine Kühlung im Sommer durch diesen Umbau überhaupt erst möglich.

Leistungssteuerung

Zunächst: Leistungssteuerung bedeutet im Falle der Aquarea tatsächlich nur eine Leistungsbegrenzung!

Mit dem Zusatzmodul CZ-NS4P lässt sich die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe mit Hilfe des 0-10V-Demand-Signals reduzieren.

Die erreichbare Leistungsreduzierung ist umso höher, je mehr die WP "arbeiten" muss, d.h. je niedriger die Außentemperaturen und / oder je höher die zu erzeugenden Vorlauftemperaturen.

Beim Demand-Signal von 1V reduziert sich der Verbrauch auf minimal ca. 1,6kW, während bei warmen Außentemperaturen unter Volllast (0V bzw. 10V) kaum mehr, nämlich auch "nur" ca. 2,0kW verbraucht werden. DASS es technisch auch niedriger geht, zeigt der Flüstermodus, der auf Stufe 3 die Leistung bis auf 1,3kW reduziert. Leider bietet aber die Intesisbox für die Aquarea H keine Möglichkeit, den Flüstermodus zu aktivieren - die alte Intesisbox für Aquarea F konnte das noch, sogar über 2 verschiedene Wege (Quiet Mode on/off, Working Mode normal/Eco/powerful) :-(

Fortsetzung folgt...