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 Wärmeschutzglas 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.

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 HPM-1 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

• Ursprünglich wollte ich den Ofen im DG durch einen Pelletofen mit Wassertasche ersetzen. Diese Idee ist erstmal gestorben.
• Zur Not kann über den Holzofen im DG zugeheizt werden.
• Diesen Winter wird erstmal beobachtet ob die Geisha an kalten Tagen ausreicht
  

Umsetzung

Seit dem 8.1.2017 läuft die Geisha Monovalent. Ich habe sie erstmal an die vorhandene Verteilung und den alten Brauchwasserspeicher angetüdelt. Nach Einem Tag ohne Probleme dann den alten Gaskessel abgestellt. Die ersten beiden Tage wurden je 16kwh für Heizen und 4kwh für Warmawasser benötigt. Das sind nur ca. 20% des Gaskessels bei ähnlichen Temperaturen, alles gut.

Erledigt

• Die BWP Nuos ist geliefert und hängt an der Wand
• Die Geisha ist installiert und läuft.
• Regelung derzeit über die mitgelieferte Fernbedienung.
• Brauchwasser erfolgt noch über den alten Trinkwasserspeicher.
• Der 2. Heizkreis im Keller ist erstaml demontiert.
• Die Zuluftöffnung im Heizungskeller ist zugemauert.
• Kündigung Gasanschluß
• Abbau Gasbüchse und Gasleitung

nächste Schritte

• Warmwassererzeugung und Verteilung umbauen.
• Anbindung Nuos WWWP ans Brauchwasser.
• Abbau der Kalt- und Warmwasserleitungenen Heizungskeller zur Waschüche
• Abbau des alten Brauchwasserspeicher.
• Installation UVR1611 und damit Inbetriebnahme des Wärmemengenzählers.
• Installation HPM-1

Optional

• Vorhandenen Puffer einbinden, Einbindung Parallel
• Wand oder Deckenheizung/Kühlung im DG einbauen.

Ergebnis

Bisher bin ich mit der Leistung der WP sehr zufrieden. Bis auf ganz wenige Tage im Jahr reicht die Leistung aus. Habe es mittlerweile, vor allem in der Übergangszeit wärmer im Haus. Im Herbst heize ich etwas früher, immer mal ein paar Stunden mittags nur mit PV. Trotz dem alten Speicher, aber ohne Zirkulation, reicht einmal WW-Bereitung mittags aus. Benötigter Strombedarf im Sommer 0,7kWh + 0,3kWh standby.

Regelung und umbau WW wurden wegen der super effiziens bisher zurück gestellt.

Im Sommer 2018 wurde das erste mal über die FBH gekühlt. Nach einem längeren Urlaub und Dauersonne, konnten die Temperaturen im Haus, innerhalb einer Woche von 26 auf angenehme 22°C gesenkt werden. Vorlauf hatte ich 19°C eingestellt, kühlung nur tafsüber mit PV-Überschuß.

2018

Am 8.1.2018 ging die WP für Heizung und WW in Betrieb, nach ein paar Tagen wurde die Zirkulationsleitung eliminiert, welche zuvor durch Schwerkraftzirkulation die Wärme aus dem Tank saugte. Am Anfang wurde mehrmals am Tag Brauchwasser bereitet, der Takt bestand aber nur aus nachheizen. In den ersten Wochen hatte ich das Problem, dass die WP viel nachts lief, tagsüber dann runter modulierte oder ganz aus ging, was wegen EV und Effizienz schlecht ist.

Einstellungen

Nach einigen Wochen wurde die HK sehr flach und proportional zur AT gestellt und bei Wetterwechsel ab und zu angepasst. WW wird nur noch mittags erwärmt. Über Timer werden die Vorlauftemperaturen nachts etwas gesenkt und tagsüber erhöht.

• HK -5/+10 30/32 bis 0/+15 26/28
• Timer seit 4.11

Timer	Mode	Offset
0:00	Heat	0
4:00	Heat	-1
9:30	Heat	+2
11:00	Heat/Tank	+2
12:30	Heat	+2
19:00	Heat	+1

Energieverbrauch

• Erdgasverbrauch Kessel 01.01.18 - 01.01.18 = 780 kWh
• Stromverbrauch WP 08.01.18 - 31.01.18 = 3.360 kWh
• Messungen Heizlüfter Dach 40kWh
• Holz im Kaminofen Dach 56 kg ~250kWh
• Stromverbrauch WP im ersten Jahr 08.01.18 - 08.01.19 = 3.520 kWh
• Eigenverbrauch der Nord/Ost PV konnte durch die WP von 666 auf 1.224 kWh erhöht werden.
• Bilanziell wurden 7.921 kWh mehr Strom eingespeist als bezogen werden.

Bilanz 2018

Änderungen

• 07.11.18 Austausch aller Fenster- und Türdichtungen

2019

Energieverbrauch

• Stromverbrauch

Änderungen

   Zu den anderen Referenzinstallationen <~ Link