Anlage Geisha2021

Wärmepumpe im 54 Jahre alten Fertighaus mit Plattenheizkörpern

Projektvorstellung

Im folgenden stelle ich mein Projekt vor das ich 2021 realisiert habe.

Ich habe ein 54 Jahre altes Fertighaus mit Einliegerwohnung. 110m² plus 49m². Meine Buderus Ölheizung ist jetzt 31 Jahre alt und ich habe die Geisha Panasonic J 7kW bivalent installiert.

Vor 26 Jahren habe ich Dachschräge, oberste Decke und in der UG-Wohnung Außenwände gedämmt.

Vor 28 Jahren habe ich einen Glasanbau (nicht abtrennbarer Wintergarten) mit 16m² Dachfläche erstellt an der Südseite, mit dem ich das ganze OG warm bekomme auch bei Minustemperaturen wenn die Sonne scheint und auch bei diffuser Einstrahlung hohe solare Gewinne erziele. Weiterhin habe ich seit 20 Jahren solare Brauchwassererwärmung mit 6,6m² thermischen Flachkollektoren und seit 14 Jahren PV mit 5,5kWP (Volleinspeiser).

Fenster an Nordseite und Ostseite sind ebenfalls neu. In der Hauptwohnung sind 2 Kreise Einrohr- und im UG Zweirohr-Heizung. Alles Flachheizkörper Typ 22 und in den Bädern (die verpönten) Handtuchheizkörper die übrigens völlig ausreichen. Für den WAF habe ich in den Bädern noch Heizlüfter die aber sehr selten eingeschaltet werden.

Zwei Winter habe ich meine Heizung ähnlich wie zukünftig die Wärmepumpe betrieben. Mit dem Tieftemperaturheizkessel kann ich auf minimal 30°C heruntergehen. Die wichtigste Änderung war, dass ich jetzt 24h / 7Tage heize (ohne das sich der Ölverbrauch wesentlich geändert hat). Der Komfort hat sich dadurch deutlich verbessert.

Die Vorlauftemperatur der Buderus-Ölheizung war am kältesten Tag (min -13,5°C am 11.02.2021) 45°C. Da erreiche ich 20,5...21,5°C in den Wohnräumen.

Dabei wurden 14,5L Heizöl verbrannt was bei angenommenen 15% Verlust einen Wärmeeintrag von 135kWh entspricht. Das UG wurde jedoch nur auf ca.18°C geheizt da nicht dauernd bewohnt. Mein Ölverbrauch in den letzten 10 Jahren 1200L...1300L.

An meinem bisherigen Heizölverbrauch sieht man, dass da kein großes Einsparpotential mehr vorhanden ist. Erst wollte ich ja einen Brennwertkessel installieren jedoch bin ich nach längerem Studium des Forums zu dem Entschluss gekommen, die Panasonic Geisha J mit 7KW bivalent zu meinem Ölkessel zu installieren.

Die Heizkörper habe ich bewusst schon immer so groß wie optisch vertretbar gemacht aber nur Typ 22. Da ändere ich auch nichts mehr.

Übrigens protokolliere ich jetzt schon seit längerem sämtliche relevante Temperaturen mit FHEM und weiß deshalb genau über das Verhalten der Heizung bescheid. Ölverbrauch über Betriebsstundenzähler und Öldurchsatz/h.

Als Backup-Alternative werde ich die WP zunächst bivalent mit der Ölheizung betreiben, wenn es wirtschaftlich Sinn macht, und außerdem habe ich noch einen Kaminofen den ich auch oft morgens und abends anmache.

Funktionsbeschreibung

Heizung (Blockschaltplan Heizung)

Die Wärmeerzeugung erfolgt durch die Buderus Ölheizung Junotherm S315T (17kW) und durch die Panasonic Wärmepumpe WH-MDC07J3E5 (7kW).

In der Buderus Heizung ist ein Brauchwasserspeicher mit 140l Inhalt integriert. Der Ölkessel hat 50L Wasserinhalt.

Die Betriebsparamter werden im Minutentakt abgefragt und in einer SQL Datenbank gespeichert. (FHEM Smarthome Betriebssystem auf Raspberry Pi 3B+).

Entsprechende Daten und Diagramme können per Netzwerk mit einem Webbrowser abgefragt werden.

Es können folgende Betriebsarten eingestellt werden:

Heizung:

a) nur Wärmepumpe

Das Blockschaltbild zeigt diese Variante. Die Wärmepumpe speist das Heizwasser mit ihrer internen Umwälzpumpe entsprechend der gezeigten Stellung der elektrisch gesteuerten Umschaltventile V1...V3 und der Kugelhähne KH2...KH4, KH7,8,11 in die 3 Heizkreise ein.

Die Pumpe P2 ist ausgeschaltet. Die eingespeiste Wärmemenge wird über den Wärmemengenzähler WZ erfasst. Die Wärmepumpe ist Außentemperaturgesteuert entsprechend der eingestellten Heizkennline und einem Wochentimer. Sie ist im Regelfall 24H an 7 Tagen in Betrieb wenn die einstellbare Heizgrenze (aktuell t<= 10°C) unterschritten wird.

Weiterhin kann die Warmwasserbereitung durch die Ölheizung ab einer bestimmten Außentemperatur (einstellbar über Thermostat W1209) erfolgen. Grund dieser Betriebsart ist der schlechte COP der Wärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen zu vermeiden.

Die Wärmepumpe kann über das Bedienpanel im Arbeitszimmer oder über die Aquarea Service Cloud eingestellt werden.

b) Wärmepumpe und Ölheizung bivalent

Bei unterschreiten der eingegebenen Bivalenztemperatur (-10°C aktuell) schaltet die Wärmepumpe die elektrischen Umschaltventile V2 und V3 um und schleift die Ölheizung über den Vierwegemischer in den Heizkreislauf ein.

Die Pumpe P2 bleibt ausgeschaltet.

Wärmepumpe und Ölkessel sind in Reihe geschaltet.

Die Heizkurve des außentemperaturgesteuerten Vierwegemischers ist identisch zu der Heizkurve der Wärmepumpe eingestellt. Bei überschreiten der Bivalenztemperatur wird wieder automatisch auf Wärmepumpenbetrieb umgeschaltet.

c) nur Ölheizung

Die elektrischen Umschaltventile V2 und V3 schleifen die Ölheizung über den Vierwegemischer in den Heizkreislauf ein.

Kugelhan KH3 schließt man jedoch lässt man als Frostschutz der WP KH2 und KH4 zu ca 20% offen damit in der ausgeschalteten Wärmepumpe nichts einfriert (über Vorlauf- und Rücklauf Temperatursensoren kontrollieren).

Die Ölheizung ist ebenfalls Außentemperaturgesteuert entsprechend der eingestellten Heizkurve (nur der Mischerkreis).

Warmwasser (Blockschaltplan Warmwassererzeugung)

Die Warmwassererzeugung erfolgt nur im Winter über die Heizungen. Im überwiegenden Teil des Jahres wird sie durch die 6,6m² thermische Solaranlage bewerkstelligt. Insgesamt sind 3 Speicher, eine Steuerelektronik und die FriWa involviert.

Die drei Speicher sind in Reihe geschaltet und bilden ein hydraulisch geschlossenes System. Das Speichervolumen beträgt 140L + 386L + 186 L = 712L.

a) Sommerbetrieb

Wärmepumpe und Ölheizung sind ausgeschaltet

Die Sonne heizt den Solarspeicher auf und über die Steuerelektronik wird das Temperaturniveau der Speicher ausgeglichgen. Dazu vergleicht ein Spannungskomparator die Temperatur des HWS1D-Speichers mit denen des Buderus-Speichers in der Ölheizung oder des Solarspeichers abwechselnd gesteuert durch die Zeitschaltuhr. Der Temperaturausgleich erfolgt über die Pumpe P1.
Die Temperaturverläufe vom 23.03.2022 der 3 Speicher zeigen die Funktion des Temperaturausgleichs.

Beim Warmwasser-zapfen läuft die FriWa an und "kühlt" den HWS1D ab. Einstellung ist auf ca. 45°C Wassertemperatur. Immer beim zapfen läuft auch die Zirkulationspumpe für 1 min an (einstellbare Funktion der FriWa). Innerhalb der nächsten 10min ist sie jedoch gesperrt.

Der Vormischer VM begrenzt die Temperatur des FriWa Primärkreises auf max. 55°C-60°C um einer Verkalkung des Wärmetauschers vorzubeugen.

b) Winterbetrieb

Wärmepumpe und Ölheizung sind eingeschaltet -nur Wärmepumpe aktiv-

Die Wärmepumpe überwacht die Temperatur des Speichers HWS1D. Eingestellt sind 43°C. Wird dieser Wert um 4°K unterschritten heizt sie den Speicher nach. Freigabe zum aufheizen erfolgt über den Wochentimer. Zwischen 5:30 Uhr und 11:00 Uhr sowie zwischen 16:00Uhr und 17:00 Uhr kann nachgeheizt werden.

Über das elektrischen Umschaltventil V1 wird die Wärmepumpe vom Heizkreis getrennt und der Wärmetauscher im Speicher HWS1D eingeschleift. Die Wärmepumpe heizt den Speicher auf und schaltet nach erreichen der 43°C wieder zum heizen zurück.

Wärmepumpe und Ölheizung sind eingeschaltet -bivalente Wassererwärmung-

1: Bivalenztemperatur für bivalentes heizen noch nicht unterschritten:

Die Warmwasserbereitung kann durch die Ölheizung ab einer bestimmten Außentemperatur unterstützt werden (einstellbar über Thermostat W1209). Sinn dieser Betriebsart ist der schlechte COP der Wärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen.

Bei Anforderung WW-bereiten durch die Wärmepumpe erfolgt zusätzlich zu dem Ablauf in b) Winterbetrieb bei unterschreiten der am Thermostat W1209 eingestellten Temperaturschwelle das einschleifen der Ölheizung über die elektrische Umschaltventile V2+V3 in den Wasserkreislauf.

Zusätzlich wird auch der interne Speicher der Ölheizung mit aufgeheizt (Ladepumpe wird eingeschaltet).

2: Bivalenztemperatur für bivalentes heizen unterschritten:

Funktion identisch zu "1:"

3: nur Ölheizung ist eingeschaltet

Die Warmwasserbereitung erfolgt nur durch die Ölheizung

Die Ölheizung überwacht die Temperatur des internen Buderus Speichers. Eingestellt sind ca. 45°C. Wird dieser Wert um 4°K unterschritten heizt sie den Speicher nach. Ebenso wird der Speicher HWS1D nachgeheizt. Dazu wird über das elektrische Umschaltventil V1 der Ölkessel vom Heizkreis getrennt und der Wärmetauscher im Speicher HWS1D eingeschleift. Der 4-Wegemischer wird dazu auf max. offen eingestellt.

Freigabe zum aufheizen erfolgt über die Zeitschaltuhr des Ölkessels. Zwischen 5:30 Uhr und 11:00 Uhr sowie zwischen 16:00Uhr und 17:00 Uhr kann nachgeheizt werden. Die Schaltung zu Ausgleich der Speichertemperaturen funktioniert unabhängig vom heizen der Speicher durch die Wärmeerzeuger.

Installationsbeschreibung

Hydraulikplan

Montage Wärmepumpe

Die Wärmepumpe wurde an der Nord-Ostecke des Hauses an der Ostseite installiert.

Sie ist mit zwei Schwerlastkonsolen an dem Betonsockel des Hauses aufgehängt.

Über der Wärmepumpe wurde als Wetterschutz eine Überdachung angebracht.

Seitenansicht

	Auf eine extra Ableitung des Abtauwassers kann verzichtet werden. Die Wassermengen sind relativ gering. Bei mir versickern sie über die Fugen der Wegplatten auch bei 24 Abtauvorgängen pro Tag.

Außen liegende Verrohrung

Die Verrohrung wurde in 28-Cu-Rohr ausgeführt mit Mineralwolleisolierung 28/30. Länge außen ca. 4m + 50cm Flexschlauch. Gesamtkosten ca. 130 €.

Zusätzlich wurden die Rohre nach außen noch mit 4cm Styrodur isoliert. Über die gesamte Länge verschwinden dann die Rohre unter einem Brennholzstapel.

Einführung in den Ölraum

Rohreinführung isoliert

Rohrverkleidung

Anschluss Wärmepumpe

Anschluss mit 1 Zoll Flexschlauch

Anschluss isoliert und Temperatursensoren DS18B20 Vorlauf / Rücklauf an den 90° Cu-Bögen

Verkleidung des Anschlussbereichs

Installationen im Ölraum

Einführung Vorlauf / Rücklauf in Ölraum	Beschreibung
	Membran-Druckausgleichsgefäße für Heiz- und Warmwasserkreis Magnetit- und Luftabscheider im Rücklauf Da der Magnetitabscheider lt. Forum nicht besonders effektiv ist da der vorhandene Magnet nur im Bypass liegt, habe ich 2 Super Neodym-magnete zusätzlich angebracht. Der eine ist das runde Teil in der Mitte; der zweite ist in der Isolierung. In der Geisha-J ist ja auch ein Neodym Magnet direkt im Rücklauf vorhanden.

Frischwasserstation	Beschreibung
	FRISTAR 2WP von Technischer Alternative mit Vormischer Die thermisch Solaranlage erzeugt ab Mai heißes Wasser bis zu 90°C. Um eine Verkalkung des Wärmetauschers zu verhindern begrenzt der Vormischer die Temperatur auf 50°C...60°C. Grundfos Zirkulationspumpe für WW-Zirkulation Die Zirkulationspumpe wird von der FriWa gesteuert. Beim Wasser-zapfen läuft sie für ca. 1min und ist dann für die nächsten 10min gesperrt. Grundfos Zirkulationspumpe für Speicher Temperaturausgleich Die Pumpe sorgt für den Temperaturausgleich der 3 Wasserspeicher über eine Steuerelektronik.

Wasserspeicher	Beschreibung
	Speicher emailliert HWS1D 186L mit großem Wärmetauscher Wärmezähler Engelmann Sensostar U mit M-bus Interface Der Ultraschall Wärmemengenzähler wird über ein M-Bus - USB Interface von FHEM alle 2 min ausgelesen und die Messwerte in einer Maria-DB gespeichert. Mit der integrierten Lithium Batterie sollen bis zu 10Jahre Betrieb möglich sein.

Elektrik	Beschreibung
	Panasonic Netzwerk Adapter CZ-TAW1 Interface zur Panasonic Aquarea Smart und Service Cloud. Anbindung ans Netzwerk über LAN Kabel und Switch. Zählerkasten mit Sicherungen und Datenlogging mit FHEM auf Raspberry Pi 3B+ Weiterhin sind im Zählerkasten noch ein Switch, M-Bus Interface, OneWire Interface und Modbus-Gateway sowie DC 5V und 12V Netzteile enthalten. Schaltkasten mit Elektronik für Speicher Temperaturausgleich Steuerung der Pumpe für den Temperaturausgleich der 3 Wasserspeicher. Betriebsstundenzähler der Pumpe Speicher Temperaturausgleich

Zählerkasten	Beschreibung
	Zählerkasten Wärmepumpe 1 Stromzähler Wärmepumpe 2 Sicherung Wärmepumpe 3 Stromzähler Heizstab und Ölheizung 4 Sicherung Heizstab 5 Sicherung Ölheizung 6 Zähler FriWa, Raspi 7 Sicherung FriWa 8 Sicherung 5V Netzteil Raspi, 12V Netzteil, Pumpe Temp. Ausgleich Speicher 9 Netzteil 12V DC 10 Modbus Gateway für Stromzähler 11 Raspberry Pi 3B+ 12 Netzteil 5V DC 13 Zeitschaltuhr Umschaltung Sensoren Speicher

Installationen im Heizraum

Hydraulik Teil 1	Beschreibung
	Links oben der Vorlauf von der Wärmepumpe sowie die Pumpe P2 (Grundfos Alpha2) der Ölheizung mit Bypass. Daneben der Ölfilter. Oben bei den 3 Thermometern die Rückläufe der 3 Heizkreise. Darunter die 2 elektrischen 3-Wege Ventile (Afriso AZV-643) V2 und V3 zum einschleifen der Ölheizung. Das quadratische Teil darunter ist der 4-Wege Mischer der Ölheizung.

Hydraulik Teil 2	Beschreibung
	Oben in der Mitte der Vorlauf zu den Heizkreisen. Daneben in dem dicken weißen Rohr die Leitungen zwischen den Speichern. In der Mitte versteckt das elektrischen 3-Wege Ventil (Afriso AZV-643) V1 zum umschalten vom Heizen zum Warmwasser bereiten. Darunter die Ölheizung Buderus Junotherm S 315 T mit integriertem 140L Brauchwasserspeicher.

Ölheizung Bedienpanel	Beschreibung
	Links oben Zähler Brennerstarts. Darunter Betriebsstunden der Warmwasser Ladepumpe. Daneben Thermostat W1209 zur Aktivierung der Warmwasserbereitung bei tiefen Außentemperaturen. Links im Bedienpanel Einstellen des Kesselkreises (wird nicht benötigt). Daneben Einstellung der Heizkurve des Mischerkreises. Rechts davon Temperatureinstellung Warmwasser. Dann Zeitschaltuhr (gleiche Einstellung wie Wochentimer der Wärmepumpe). Weiter rechts Betriebsstundenzähler des Brenners. Neben dem Manometer sieht man versteckt das Umschaltventil V1.

Solaranlage + Photovoltaik	Beschreibung
	Links die Solarstation der thermischen Solaranlage zur Brauchwasserbereitung. Der 386L-Speicher ist hinter der Wand unter der Treppe ins OG. Daneben die 4 Leitungen zum Solarspeicher (Eingang-Ausgang und Wärmetauscher). Darunter Datenlogger der PV-Anlage und Switch zur Netzwerkanbindung. Daneben Wechselrichter der PV-Anlage.

Betriebserfahrungen

Solare Heizungsunterstützung

Ursprünglich wollte ich den solaren Warmwasserspeicher auch als Heizungsunterstützung in der Übergangszeit verwenden.
Dies funktioniert auch prinzipiell jedoch erhöht sich dann der Durchflusswiderstand der Heizkreise was widerum eine höhere Pumpenleistung erfordern würde.
In meinem Einkreissystem fahre ich jetzt mit 20L /min damit die Spreizung möglichst gering ist.

Außerdem macht es mehr Sinn die solare Energie komplett zur Brauchwassererwärmung zu verwenden, da der COP der WP dabei generell schlechter ist durch die höheren Temperaturen.

Abtauverhalten

Am 26. Januar hat die WP insgesamt 22mal abgetaut.
Sieht man an den Wassertemperaturen - Rücklauf wärmer als Vorlauf - dem Heizkreislauf wird Wärme entzogen.
Beim Heizbetrieb danach geht die Wärmeleistung dann kurzzeitig bis 8 kW hoch. Stromleistung 1,3 kW...2,3 kW. Die Warmwasserbereitung sieht man an den 4 Temperaturspitzen.
Die Außentemperatur war nahezu konstant 0°C bei hoher Luftfeuchtigkeit.

Takten

Am 3. Januar war die Außentemperatur ca. +10°C. Die WP ist ihre Mindestwärmeleistung von ca. 3,2 kW bei dieser Temperatur nicht mehr los geworden und hat deshalb abgeschaltet (bzw.in den Schnüffelbetrieb gewechselt).
Die elektrische Leistung war 630 W was einem COP von ca. 5,1 entspricht. VL / RL Temperatur ca. 33°C / 30°C.

Betriebsart bivalent alternativ

Die Betriebsart 3.1.2 b) - Wärmepumpe und Ölheizung bivalent - wurde auf - bivalent alternativ - geändert. Wenn der Bivalenzpunkt unterschritten wird schaltet die Wärmepumpe auf die Ölheizung um. Das heißt der Betrieb entspricht dann 3.1.2 c) - nur Ölheizung - jedoch ist keine Änderung der Stellung der Kugelhähne KH2, KH3 und KH4 mehr erforderlich.

Der Rücklauf geht auch bei Ölheizungsbetrieb durch den Wärmetauscher der Wärmepumpe und gewährleistet somit deren Frostschutz. Der Wärmeverlust ist relativ gering und wird in Kauf genommen.

Ebenso bleibt der Kugelhahn KH8 im Bypass der Pumpe P2 dauerhaft geschlossen da auch beim ausschließlichen Wärmepumpenbetrieb der Wasserdurchfluss durch die dann ausgeschaltete Pumpe P2 ausreicht.

Arbeitszahlen 2021 - 2023

Zusätzlich wurden noch pro Heizperiode ca. 1,5 rm Holz im Kaminofen verbrannt.

Wartung (Magnetit)

Nach dem die Heizperiode 21/22 vorbei ist, wollte ich mal sehen wieviel Magnetit sich im Geisha-Filter und im Flamcovent angesammelt hat.
Der Flamcovent soll ja nur wenig Magnetit abscheiden da der Magnet nur im Nebenstrom wirkt. Die Magnete sind auch sehr klein. Dafür hat er den Vorteil, dass der Durchflusswiderstand gering ist.
Ich hatte ihn schon verbessert indem ich in die Isolierung einen Neodym Magneten eingebracht habe und einen weiteren auf die rote Halterung gesetzt habe.
Jetzt habe ich noch einen weiteren Magnet in die zweite Isolierschale eingesetzt.

Isolierschalen Flamcovent	Beschreibung
	Zwei Neodym Magnete in der Isolierschale.
Magnetit-Abscheidung Flamcovent	Beschreibung
	Das Heizumgswasser ist fast klar und man sieht keinen Rost. Das Magnetit hat sich um den Magneten.versammelt. Übrigens ich verwende schon seit über dreißig Jahren nur Leitungswasser im Heizkreislauf ohne Zusätze.