Anlage SRDD

Planung

Ausgangssituation

Unser Haus wurde 2008 gebaut, nach KfW60 Standard: monolithisch mit Porotonziegeln T09, Doppelverglasung mit großen Glasflächen nach Süden. Heizung war eine Gastherme mit Solarthermie (10m2) und 800l Solarpuffer-Speicher. Im Erdgeschoss (Küche, Wohnzimmer, GWC, Heizraum) befindet sich eine Fussbodenheizung, im Obergeschoss haben alle Räume Heizkörper (2x Kinderzimmer, Schlafzimmer, großer offener Flur mit Arbeitsbereich), außer im Bad mit Fussbodenheizung. Es wurden zwischen 1300m3 - 1600m3 Gas pro Jahr verbraucht. Die Heizung war wahrscheinlich nach "Viessmann"-Schema aufgebaut, im Nachhinein wahrscheinlich nicht gerade optimal abgestimmte Einzelbausteine die aber halbwegs sorgenfrei durchliefen. Es gab kein dokumentiertes Leitungsschmema, dieses habe ich selbst versucht aufzuzeichnen und nachzuvollziehen.

Schema

Für mich als Ingenieur ein total unübersichtliches "Pumpengrab", die dafür notwendige elektrische Energie wird nicht getrennt erfasst und ist nicht nachvollziehbar, zB lief die 50W Pumpe für die Fussbodenheizung quasi komplett durch.. Anfang 2022 gab es dann die Idee eine PV-Anlage für unser Haus zu errichten, nachdem mein Vater dies bei sich hatte installieren lassen und er mit dem Installateur zufrieden war. So beaufztragten wir im März 2022 unsere PV-Anlage (ca 11kWP, Flachdach mit Aufständerung 20 Grad nach Süden unverschattet, Speicher 5kWh) Im Zug des Ukraine-Kriegs und der Gas-Situation machte ich mir Gedanken bezüglich der Optimierung der Heizung, da die PV beauftragt war und ich schon immer mit einer LW-WP geliebäugelt hatte war es der richtige Moment meine Frau zu überzeugen. Als der Entschluss pro Wärmepumpe feststand habe ich auch noch die Fläche der Solar-Thermie-Module für zusätzlich PV-Module nachträglich eingeplant und beauftragt, dies ging zum Glück ohne Probleme.

Heizlastberechnung

Für die Heizlastberechnung habe ich mich an verschiedene Werten orientiert: beheizte Fläche 138m2

Gebäudeheizlast vom Architekt 6.5kW
Berechnung mit DanBasic 7.2kW
Crink-Tool : 6.6kW
EneV : 5.3kW
bisheriger Gasverbrauch 8.1kW - 9.7kW, Durchschnitt 8.7kW

Mein Vater hatte einen Energieberater von der Saena da, dieser hatte ein Verfahren genutzt welches die monatsweisen Verbräuche in Heizleistung umrechnete und dann über die jeweilige Monatstemperatur darstellt. Daraus kann dann mit dem aktuellen Heizsystem recht genau die notwendige Heizleistung für die jeweilige Norm-Außentemperatur (bei uns -15°C) abgelesen werden. So sieht das bei uns aus:

Heizlast

Dort kommt als Ergebnis ~7kW bei -15°C raus, passend im Bereich der verschiedenen anderen Methoden. Die Panasonic Luft-Wasser-Wärmepumpen interessierten mich schon länger und so habe ich mich erstmal etwas in das Thema eingelesen, auch dort gibt es ein 7kW Modell und da dieses genauso weit wie das 5kW runtermodulieren kann sollte diese schon gut passen.

Planung Komponenten

Wärmepumpe 7kW : in Frühsommer 2022 war nichts lieferbar, ich habe mehrere Monate versucht eine Wärmepumpe zu kaufen, letztendlich hatte ich in Italien Ende Juli Glück eine Panasonic wh-mdc07j3e5 erhalten.
Warmwasser : Hier wollte ich eigentlich die Varianten mit Frischwasser-Station nehmen, aber auch da war mehrere Monate keine Frischwasser-Station lieferbar, ebenso kein passender Pufferspeicher. Letztendlich hatte ich auch hier Glück und konnte bei RJTEC einen 200l WP-Warmwasser-Speicher (mit entsprechenden Wärmetauscher) im Juli kaufen. Wir sind 2 Erwachsene und 2 Kinder / Jugendliche und es klappt mit dem 200l Speicher sehr gut.
"Kleinkram" : Filter, Wärmezähler, 3-Wege-Ventil kam alles irgendwie trotz schwieriger Liefersituation rechtzeitig an.

Anhand der guten Diskussionen im Haustechnikdialog-Forum habe ich mir ein entsprechendes Hydraulik-Schema zusammengestellt.

Hydraulikplan

Installation-Schema

Ziel war es ein einfaches Schema mit Potential für eine gute Jahres-Arbeits-Zahl zu erstellen. Deshalb kein Trennpuffer / hydraulische Weiche, sondern von der Wärmepumpe direkt in den Heizkreislauf mit Fußbodenheizung bzw. Heizkörpern. In Vor- bzw. Rücklauf sitzen die empfohlenen Standard-Komponenten :

Wärmezähler (Engelmann Sensostar)
Schlamm-Abscheider (Caleffi Dirtmag)
Superfilter (von RJTEC)
3-Wege-Ventil (Afriso von RJTEC)
Frostschutz Not-Zirkulation (dazu anschließend mehr)

Frostschutz

Eine Monoblock-Wärmepumpe steht außerhalb des Hauses im Freien, im ungünstigen Fall dass bei Minusgraden es zu einem Ausfall kommt (z.B. aufgrund eines längeren Strom-Ausfalls, einer Störung, oder Auslösen des FI-Schalters) besteht die Gefahr des Einfrierens mit entsprechendem Schaden am wasserführenden System (z.B. interne Umwälzpumpe, Wärmetauscher). Ein ungünstiger Fall wäre zum Beispiel dass man im Winterurlaub unterwegs ist, die Heizung ausfällt und das Wasser nicht schnell genug abgelassen werden kann. Dies kann durch verschiedene Maßnahmen verhindert werden:

Betrieb mit Frostschutzmittel (Glykol) anstatt Wasser (schlechtere AZ, entweder gesamte Heizungsanlage mit Gykol befüllen oder zusätzlichen Wärmetauscher im Haus [schlechtere AZ, zusätzliche Pumpe notwendig]
Zwangszirkulation durch Zusatzpumpe

Ich habe mich für die 2. Variante entschieden und folgendermaßen umgesetzt:

Zusatzpumpe parallel im Vorlauf (gebrauchte Wilo Heizungspumpe)
Ansteuerung über 220V Thermostat-Schalter, Temperatursensor sitzt im Vorlauf in der Wärmepumpe draußen
Stromversorgung über 220V USV-System
Rückschlag-Ventil im Vorlauf parallel zur Zusatzpumpe um einen hydraulischen Kurzschluß zu vermeiden

Der Thermostat-Schalter ist so eingestellt, dass dieser bei 5°C am Vorlauf der Wärmepumpe anschaltet und bei 10°C wieder abschaltet. Die notwendige Wärme wird aus dem Heizkreislauf des Hauses entnommen. Die Pumpe benötigt nur wenige Watt und schaltet nur für eine kurze Zeit ein, so dass mit Sicherheit mehrere Stunden sicher überbrückt werden können. Um über einen Stromausfall informiert zu sein habe ich mir noch einen Stromausfall-Melder (ControlloCasa) zugelegt, welche bei einem Stromausfall eine entsprechende E-Mail-Nachricht verschickt. Das gesamte System hat weniger 150€ gekostet und gibt mir für den Winter die notwendige Sicherheit, einen Schaden der Wärmepumpe zu verhindern. Nachteilig sind

die zusätzlichen Stromkosten der USV (Leistungsaufnahme im Standby < 10W (d.h. ~80kWh / Jahr)
das Rückschlagventil im Vorlauf (Verringerung des Durchflusses, höherer Pumpenstrom, Fehleranfälligkeit)

Mir war es das wert und bisher funktioniert es ohne Probleme. Außerdem habe ich die Zusatz-Pumpe genutzt, um den hydraulische Abgleich der Fussbodenheizung und Heizkörper durchzuführen.

Hydraulischer Abgleich

Hydraulischer und thermischer Abgleich

Pumpe mit konstanten Druck auf Maximal-Leistung
Abriegeln der einzelnen Heizkreise (z.B. nur Fussbodenheizung-Kreislauf, nur Heizkörper-Kreislauf)
Ablesen des jeweiligen Durchfluss am Wärmezähler
Anpassen der Durchflüsse der Heizkörper relativ zueinander
Anpassen der Durchflüsse der Fussbodenheizung

Zusätzlich habe ich noch an allen Heizkreisen und Heizkörpern die jeweilige Vor- und Rücklauftemperaturen im Heizbetrieb gemessen (mit einem einfachen kontaktlosen Thermometer). Die gemessenen Durchflüsse müssen in Summe den Gesamtdurchfluss im Heizungsfall entsprechen und so kann einfach auf die Durchflüsse im Heizungsbetrieb zurückgerechnet sowie die Wärmeabgabe der einzelnen Heizkörper bestimmmt werden. Dies kann durch einen entsprechenden kontinuierlichen thermischen Abgleich während der Heizperiode noch optimiert werden.

Bau

Nachdem alle wichtigen Komponenten verfügbar waren ging es an die Umsetzung:

Rückbau Solarthermie-Anlage (Eigenleistung, Verkauf über Kleinanzeigen)
Betonierung Fundamente Wärmepumpe (Eigenleistung, kein Keller : Heizungsraum im Erdgeschoss, um ein Ablassen des Wassers aus der Wärmepumpe zu ermöglichen muss diese höher als die Ablasshähne sitzen)
Kernbohrung in Heizungsraum (ich würde empfehlen eine Kernbohrmaschine auszuleihen)
Elektroleitung zur Wärmepumpe (Eigenleistung, ELT-Anschluss im Heizungsraum mit zu wenig Leistung für Wärmepumpe, Zusatzkabel vom Zählerkasten verlegt außen um Haus, ca. 20m)
Rückbau Gastherme und Verrohrung der Komponenten (durch Heizungsbauer)
Inbetriebnahme

Für den Rückbau und die Verrohrung der einzelnen Komponenten konnte ich den lokalen Heizungsbauer gewinnen, welche bisher die Wartung unserer Gastherme und Solaranlage durchgeführt hat. Er hat zwar darauf hingewiesen dass er eigentlich keine Fremdteile verbaut, aber es dennoch übernommen. Vollkommen überraschend hatte er auch quasi sofort freie Kapazitäten und hat zu einem fairen Preis gute Arbeit abgeliefert. Natürlich hätte ich das auch selbst versuchen können, aber so fühlte ich mich sicherer. Nach 2.5 Tagen war alles erledigt, sogar der Elektriker hatte Zeit für den elektrischen Anschluss und so konnte ich Anfang September am Ende des Sommers die Inbetriebnahme durchführen.

Betrieb

Optimierung

Warmwasser-Speicher Dämmung

Der 200l (183l) Warmwasserspeicher EV-S200HP hat für unsere 4-köpfige Familie immer prima gereicht (2 Erwachsene, 2 Teenager), auch wenn man manchmal etwas planen muss. Die Speichertemperatur ist auf 47°C eingestellt (Fühler in der Mitte), und mit der relativ geringen Größe gibt es ausreichend Durchsatz so dass ich auch keine Bedenken wegen Legionellen habe. Bei der Dämmung habe ich allerdings noch nachgebessert (Isover Climcover Lamella Mat [ML3] 70 mm, so wie bei Anlage DJNoXD). Zum Schutz der Dämmung habe ich dann noch eine weiße Plane vom Obi angebracht, so sieht es auch vernünftig aus. Der Wärmeverlust beträgt jetzt in 24h ca. 4K, d.h. es geht eine Energie von ca 850 Wh verloren (1.16 Wh/Kl * 4 K * 183 l), d.h. die Verlustleistung 35W und entspricht damit Energie-Effizienz-Klasse A (vorher 59W, Klasse B).

Dämmung Wärmepumpe

Die Dämmung der Wärmepumpe erfolgte schrittweise mit dem Ziel, sowohl akustisch zu dämmen und auch Wärmeverluste am Außengerät zu reduzieren. Ich kann jeden nur empfehlen, dies vor dem Einbau zu machen, da die Teile viel besser erreichbar sind.

Optimierung Takt-Verhalten

Da die Anzahl der Schaltvorgänge des Kompressors im Wesentlichen die Lebensdauer der Wärmepumpe bestimmen, ist es sinnvoll hier zu optimieren. Auch wenn es bei unserer Wärmepumpe "nur" 2300 Starts im 1. Jahr waren und die Lebensdauer der Kompressoren mit ca. 100.000 Starts angegeben wird, lohnt es sich dennoch hoffentlich. Prinzipiell sehe 2 Arten des Taktens

1. Abschaltungen während der Übergangszeit

Hier kommt es zum Takten, wenn die Wärmepumpe ihre Wärme nicht los wird. Welche Maßnahmen können helfen:

Flüstermodus (aber nur bis ca. 4°C verwenden, sonst kommt es zum schnelleren Vereisen des Wärmetauscher und zum erhöhten Takten)
nur Tagbetrieb (auch bessere Effizienz aufgrund der wärmeren Luft-Temperatur)
Anhebung der Heizkurve

Diese Aktionen können z.B. auch mit "Heishamon" automatisiert oder über Timer angepasst werden.

2. Takten durch Vereisen

Bei Temperaturen unter 4°C kommt es prinzipbedingt zum Vereisen des Wärmetauschers. Hier muss abgetaut werden, allerdings läuft die Jeisha danach mit sehr großer Leistung wieder los und vereist dadurch wieder relativ schnell. Hier wäre ein langsameres Hochfahren der Leistung sicher besser und würde zu längeren Takten führen. Welche Maßnahmen können helfen:

Flüstermodus aus (geringerer Luftdurchsatz führt zum schnelleren Vereisen)
Sensorkalibrierung : Im "hidden" Menü VL und RL Sensoren um +2° verschieben und enstprechen das VL Target in den Einstellungen ebenfalls um 2° erhöhen. Den AT Sensor im Hidden Menü um -2° verschieben. Wie vom User Donpepe schon öfters hingewiesen, erhöht das die Lüfterdrehzahl gerade um die 2°AT herum signifikant
Nutzung der Zusatzplatine "CZ-NS4P" zur Steuerung der Leistungsberenzung (hier gibt es einen Eingang 0-10V, der die Leistung begrenzen kann, erfordert Zusatzhardware zur Steuerung)
Steuerung über Heishamon (hier gibt es verschiedene Projekte über "Rules" oder Nodered, einen Sanft-Anlauf nach dem Abtauen zu steuern)

Verbrauchsdaten

Die Wärmepumpe ist inzwischen seit einem Jahr im Betrieb und es hat alles prima funktioniert. Für die Zeit September 2022 bis August 2023 wurden folgende Verbrauchsdaten erzielt (gemessen mit extra Zähler für die elektrische Energie und Wärmemengenzähler):

elektrische Energie: 2927 kWh
Wärme-Energie: 12863 kWh
COP : 4.39

WP-Starts : 2307
Betriebs-Stunden : 3574

Verbrauch