Doppelt profitiert!

Jetzt war es amtlich. Was Irgendwer aufgrund der mageren Eisbilanz schon vermutet hatte, hatten die Wetterfrösche nun wissenschaftlich bestätigt: Pannonien hatte den zweitwärmsten Winter der fast 250jährigen Messgeschichte erlebt, wobei als ‚meteorologischer Winter‘ die Monate Dezember, Jänner und Februar zu verstehen waren.

Schneeglöckchen

Auch die Schneeglöckchen hatten den milden Winter für eine frühe Blüte genutzt…

Während der letzte Winter (2012/2013) als normal eingestuft werden konnte, lagen die Durchschnittstemperaturen in diesem Winter (2013/2014) ca. 2,5°C über dem langjährigen Mittelwert.

Das hatte sich natürlich auch auf die Heizkosten positiv ausgewirkt. Nach akribischer Durchsicht seiner Aufzeichnungen stellte Irgendwer fest, dass er diesen Winter um exakt 6,4 % weniger Heizenergie für seine Siedlerhütte benötigt hatte als letztes Jahr. – Er hatte sich aber 14 % seiner Heizkosten erspart!

Wie ging denn das?!

Gegenüberstellung Winter 2012/2013 und 2013/2014

Gegenüberstellung der Messwerte für den ’normalen‘ Winter 2012/2013 und den außergewöhnlich warmen Winter 2013/2014.

Was zuerst wie ein Widerspruch aussah, ließ sich bei genauerem Hinsehen aber rasch erklären. Für ein Wärmepumpensystem – wie LEO_2 – war ja auch wichtig, wie effizient es die Energie aus der Umwelt gewonnen hatte. Dafür spielten im wesentlichen zwei Parameter eine Rolle:

  • Die Heizungsvorlauftemperatur: Der Mittelwert war in diesem Winter um 1,5°C niedriger als 2012/2013. Das war eine unmittelbare Folge der höheren Außentemperaturen.
  • Die Soleeintrittstemperatur:  Der Mittelwert lag in diesem Winter um 1,8°C höher als 2012/2013. Das war der ausgeklügelten Wärmequelle von LEO_2 zu verdanken, die über den Kollektor die höheren Außentemperaturen direkt nutzbar gemacht hatte.

Zusammen ergab das dann für 2013/2014 mit einem Wert von 4,4 eine um 10% bessere ‚Winterarbeitszahl‘ im Vergleich zu 2012/2013.

Das hieß in knallharten Zahlen: Innerhalb der 3 Wintermonate hatte Irgendwer 327 kWh weniger elektrische Energie ‚verheizt‘ und dadurch fast € 20,– pro Monat gespart!

LEO_2 ist 1

25.Oktober 2012: das war das denkwürdige Datum des Inbetriebnahmeprotokolls – und  damit der Geburtstag der Wärmepumpenanlage LEO_2. Kaum zu glauben, dass ‚Die Erfindung‘ nun schon seit mehr als einem Jahr verlässlich ihren Dienst verrichtete.

LEO_2 ist 1

Unbemerkt von der Weltöffentlichkeit hatte LEO_2 am 25.10.2013 seinen ersten Geburtstag gefeiert.

Am 1. November 2012 hatte Irgendwer seine systematischen Messaufzeichnungen begonnen, die mitunter lebensgefährliche Einsätze erforderten. Höchste Zeit eine Bilanz über das erste Betriebsjahr (01.11.2012 – 31.10.2013) zu ziehen:

Wärmebedarf. Der Winter 2012/2013 war zwar nicht besonders kalt, dafür aber ungewöhnlich lange gewesen. Sogar im Juni musste noch einmal die Heizung angeworfen werden. Damit lag der Gesamtwärmebedarf – also die gesamte von der Wärmepumpe bereitgestellte Wärmeenergie – bei knapp 20.000 kWh (Heizung: 76% und Warmwasser: 24%) .

Energieverbrauch Heizung und Warmwasser 2012-2013

Energieverbrauch für Heizung und Warmwasser im Betriebsjahr 2012/2013

Strombedarf und Arbeitszahl. Zur Erzeugung dieser Wärmemenge hatten Wärmepumpe und Solepumpe gemeinsam ca. 4.575 kWh verbraucht, was einer Jahresarbeitszahl JAZ = 4,35 entsprach. Obwohl das Erdgeschoß der Siedlerhütte mit Flachheizkörpern beheizt wurde, konnte diese relativ hohe Arbeitszahl (1) durch eine optimierte Regelung für Heizung und Warmwasserbereitung und (2) durch eine im Jahresdurchschnitt hohe Sole-Eintrittstempertur von ca. 4,5°C in die Wärmepumpe erreicht werden.

Monatsarbeitszahlen für das Betriebsjahr 2012/2013

Monatsarbeitszahlen für das Betriebsjahr 2012/2013

Besonders in der Übergangszeit arbeitete das Wärmepumpensystem aufgrund der  hohen Soletemperaturen besonders effektiv. Im September 2013 lag die Monatsarbeitszahl bei 5,0 und im Oktober 2013 sogar bei 5,3.

Auch in den Sommermonaten, in denen die Wärmepumpe nur zur Warmwasserbereitung verwendet wurde, war die Monatsarbeitszahl nie kleiner als 4,5.

Umweltenergie. Übers Jahr hatte die Wärmepumpe etwas mehr als 15.400 kWh der Umwelt entzogen. Den Löwenanteil lieferte mit fast 85% der Schlauchkollektor (direkt oder indirekt über Zwischenspeicherung im Tank). Der Rest wurde durch Abkühlen des Tanks und des umgebenden Erdreiches sowie durch das Gefrieren des Wassers im Tank (‚Eisspeicher‚) gewonnen.

Eis. Zwischen 07.12.2013 und 31.03.2013 hatte sich Eis im Eisspeicher gebildet, das zwischendurch auch wieder vollständig geschmolzen war. Maximal waren am 29.01.2013 etwa 1/5 des Tanks, also ca. 5m3 gefroren.

Kollektorernte 2012/2013

Kollektorernte für das Betriebsjahr 2012/2013: Fast 13.000 kWh hatte der Kollektor aus der Umwelt geerntet – bevorzugt im Winter.

Kollektor. Der Kollektor hatte praktisch nur während der Heizperiode Wärme aus der Umwelt gewonnen – dann aber besonders effektiv. Für die Warmwasserbereitung im Sommer reichte die Energie aus dem Wassertank, dem zeitweise auch Energie durch die passive Kühlung der Siedlerhütte zugeführt wurde. Die Kollektorernte wurde sogar zeitweise negativ! Nämlich dann, wenn der Kollektor zum Kühlen des Tanks eingesetzt wurde – zum Aufbau eines Kühlvorrats für die passive Kühlung.

Spezialtomate

Da der Kollektor im Sommer nicht für die Energiegewinnung gebraucht wurde, konnte er als Spalier für die Züchtung von Spezialtomaten verwendet werden.

Kühlen. Der Sommer war durch zwei Hitzeperioden geprägt, die durch die passive Kühlung des Obergeschoßes stark gemildert werden konnten. Außerhalb dieser Hitzeperioden war die passive Kühlung kaum in Betrieb, da normales Lüften  ausreichte, um angenehme Temperaturen in der Siedlerhütte zu schaffen.

Betriebsstunden. Bei einem Beobachtungszeitraum von exakt 8.808 Stunden war die Wärmepumpe in diesem Jahr 2.474 Stunden (28% der Zeit) gelaufen. 3.043 Stunden (35%) wurde Sole durch den Kollektor gepumpt. Die Solepumpe selbst war zum Heizen und passiven Kühlen insgesamt 3.784 Stunden (43%) in Betrieb.

Kosten und Ersparnis im Betriebsjahr 2012 / 2013

Kosten und Ersparnis im Betriebsjahr 2012 / 2013

Betriebskosten. Die Heizkosten, bestimmt durch den Stromverbrauch von Wärmepumpe und Solepumpe, lagen bei knapp € 800,–. Der Stromverbrauch der beiden (alten) Heizungsumwälzpumpen schlug zusätzlich mit ca. € 45,– zu Buche. Damit hatte sich Irgendwer gegenüber seiner alten Gas-Brennwert-Heizung 47% der Betriebskosten und ca. 4 Tonnen CO2 erspart.

Weiterführende Informationen: Die Details zur Anlage und zu den Messdaten des Betriebsjahres 2012/2013 sind auf der punktwissen Webseite abrufbar.

Das Wärmequellen-Paradoxon

Manchmal fragte sich Irgendwer, warum sich eigentlich ein Großteil der Wärmepumpenbenutzer für eine Luft-Wasser Wärmepumpe entscheidet, obwohl das im Vergleich das ineffizienteste Wärmepumpensystem ist.

Wahrscheinlich, weil man sich einfach keine Gedanken über die Erschließung der Wärmequelle machen muss, und weil es prinzipiell ‚eh funktioniert‘. – Also die einfachste Lösung, wenn auch – auf Dauer gesehen – nicht die günstigste

Kostenentwicklung bei verschiedenen Jahresarbeitszahlen

Entwicklung der Betriebskosten mit der Zeit.
Die höhere Investition in ein effizientes Wärmepumpensystem mit einer ‚guten‘ Wärmequelle und damit einer höheren Jahresarbeitszahl (JAZ) wird auf Dauer durch die niedrigeren Betriebskosten mehr als ausgeglichen.
Eine JAZ = 2,8 entspricht der durchschnittlichen Jahresarbeitszahl von Luftwärmepumpen, die in Feldtests ermittelt wurde. Mit einer guten Wärmequelle (z.B. LEO_2) lassen sich auch in der Praxis Jahresarbeitszahlen größer als 4 erreichen.

Und warum Wärmepumpen auch mit einer schlechten Wärmequelle ‚prinzipiell eh funktionieren‘ hängt mit dem Wärmequellen-Paradoxon zusammen, das man wie folgt formulieren kann:

„Je ineffizienter ein Wärmepumpensystem ist, umso unwichtiger ist eine gute Wärmequelle.“

Ein ineffizientes Wärmepumpensystem bedeutet, dass dessen Jahresarbeitszahl klein ist. Damit erntet (bzw. benötigt) die Wärmepumpe weniger Umweltenergie und es steigt der Anteil der elektrischen Energie an der von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmeenergie.

Wenn also das Wärmepumpensystem nur ineffizient genug ist, braucht man sich um die Wärmequelle kaum noch Gedanken zu machen. Der ‚einzige Nachteil‘ ist eine hohe Stromrechnung.

Umgekehrt muss eine Wärmequelle für ein effizientes Wärmepumpensystem sehr viel (kostenlose) Umweltenergie liefern. Das macht die Auslegung etwas schwieriger und den Bau etwas aufwändiger.

Im Endeffekt passt sich eine Wärmepumpe – oft unbemerkt vom Betreiber –  aber immer sehr flexibel an die Wärmequelle an: Ist die Wärmequelle gut, braucht die Wärmepumpe wenig Strom, ist die Wärmequelle schlecht und liefert wenig Umweltenergie, verbraucht die Wärmepumpe umso mehr Strom.

Eine weitere Formulierung des Wärmequellen-Paradoxons lautet:

„Je schlechter die Wärmequelle, umso ’stärker‘ wird die Wärmepumpe ausgelegt.“

Eine schlechte Wärmequelle ist durch eine im Mittel niedrige Wärmequellentemperatur gekennzeichnet. Da die Heizleistung einer Wärmepumpe mit sinkender Wärmequellentemperatur stark sinkt, muss eine Wärmepumpe mit höherer Nennleistung gewählt werden, damit die benötigte Heizleistung auch noch bei einer niedrigen Wärmequellentemperatur erbracht werden kann.

Was bewirkt also das ‚Wärmequellen-Paradoxon‘:

  • Wärmepumpensysteme funktionieren prinzipiell auch mit einer schlechten Wärmequelle, wenn auch ineffizient und entsprechend überdimensioniert.
  • Eine vermeintlich günstigere Investition wird über die Jahre mit einer höheren Stromrechnung teuer bezahlt.

Schade, eigentlich …

Was wären die großen Erfolge ohne die kleinen …

Niemals hätte sich Irgendwer gedacht, daß es Spaß machen könnte, einen Gaszähler abzulesen. Es hatte sogar schon Zeiten gegeben – damals als die Siedlerhütte aus dem Jahre 1923 noch nicht wirklich zeitgemäß wärmegedämmt war – zu denen er die schmerzhafte Wahrheit einfach so lange hinter dem Zählertürchen verborgen hielt, bis sie der Gaskassier unbarmherzig ans Licht brachte.

Zählertürchen. Dahinter verbirgt sich der Gaszähler...

Es gab Zeiten, da verbarg Irgendwer die unbarmherzige Wahrheit nur allzu gerne hinter dem Zählertürchen …

Eigentlich wäre die Ablesung auch überhaupt nicht notwendig gewesen, weil er inzwischen den Zählerstand schon sehr genau voraussagen konnte. Aber trotzdem konnte er es gar nicht oft genug sehen, sodass er sich regelmäßig die Mühe machte, den quietschenden Schlüssel umzudrehen und das klemmende Zählertürchen mit einem kräftigen Ruck aufzureißen.

„Ja! Cool! – Super, Irgendwer!“ beglückwünschte er sich jedesmal wieder aufs neue während er sich auf den Schenkel klopfte und den unveränderten Zählerstand akribisch auf seinem Messblatt eintrug. Keinen verdammten Milimeter hatte sich dieses verruchte Ding bewegt, seit er die Erfindung vor etwa einem halben Jahr in Betrieb genommen hatte!

Gaszähler

Der seit einem halben Jahr unveränderte Zählerstand faszinierte Irgendwen immer wieder. Ganz besonders hatte es ihm die letzte Stelle angetan, die zwischen ‚4‘ und ‚5‘ hängengeblieben war. „Kalt erwischt!“ dachte er sich jedesmal.

Zugegeben, der Stomzähler hatte sich dafür ein bisschen schneller gedreht, aber was ihn mit Stolz erfüllte war: (1) die Abhängigkeit vom Gas war Geschichte (2) unterm Strich hatte er sich in diesem halben Jahr € 575,- erspart und (3) der geplagten Umwelt hatte er bisher auch mehr als 3,3 Tonnen CO2 erspart.

Es war nichts angemessener für diesen historischen Augenblick, als das Zitat von Neil Armstrong, als er als erster Mensch den Mond betreten hatte:

Neil Armstrong official„Ein kleiner Schritt für die Menscheit – Aber ein gewaltiger Sprung für Irgendwen!“

… oder so ähnlich.

Die Erfindung: Erste Bilanz

Dieser Winter war von der interessanteren Sorte gewesen, wobei es nach wie vor unsicher war, ob er überhaupt schon der Vergangenheit angehörte oder ob er es sich zur Aufgabe gemacht hatte, den Frühling so lange zu piesacken, bis ihm sein größerer Bruder, der Sommer, endlich zur Hilfe kam…

Zeit für einen Rückblick auf die Performance der Erfindung in den vergangenen 5 Monaten (30.10.2012 bis 31.03.2013) oder 3.672 Stunden:

Die Erfindung: Wärmepumpensystem LEO_2

Die Erfindung: Wärmepumpensystem LEO_2

Die Siedlerhütte hatte in diesem Zeitraum 14.888 kWh Wärmeenergie verbraucht, wobei ca. 85% für Heizung und die restlichen 15% für das Warmwasser verwendet worden waren.

Energieverbrauch für Heizung und Warmwasser

Zeitlicher Verlauf des Energieverbrauchs für Heizung (ROT) und Warmwasser (ORANGE). Der tägliche Verbrauch ist jeweils punktiert, der Gesamtverbrauch durchgezogen dargestellt.

Dafür war die Wärmepumpe, die alleine (monovalent) diese Energie aufgebracht hatte, 1.932 Stunden (53% der gesamten Zeit) gelaufen, hatte dabei 3.495 kWh elektrische Energie verbraucht und der Umwelt über Kollektor und Tank insgesamt 11.393 kWh entzogen.

Die Solepumpe war 2.420 Stunden (oder 66% der gesamten Zeit) in Betrieb gewesen, hatte dabei fast 3 Millionen Liter Sole befördert und dafür nur(!) 38 kWh Strom verbraucht.

Kollektorernte

Energie, die über den Schlauchkollektor aus der Umwelt gewonnen wurde: pro Tag (punktiert) und insgesamt über den Beobachtungszeitraum (durchgezogen).

Der Kollektor war 2.152 Stunden (59% der gesamten Zeit) in den Solekreis eingebunden und hatte dabei 9.230 kWh Umweltenergie aus Luft und Sonne geerntet. Das waren durchschnittlich ca. 60 kWh pro Tag  und insgesamt ca.80% der für die Wärmepumpe benötigten Umweltenergie.

Die restlichen 20% Umweltenergie hatte der Wassertank und das umgebende Erdreich beigetragen. Das Eis im Tank (‚Eisspeicher‘) war zwar inzwischen wieder vollständig geschmolzen, durch den hartnäckigen Winter (oder den schwächelnden Frühling) lagen die aktuellen Temperaturen im Wassertank aber nur knapp über der Eisgrenze.

Energiespeicher Wassertank ('Eisspeicher')

Energievorrat im Wassertank (oder ‚Eisspeicher‘). Während der gesamten Heizperiode war der Energievorrat nie unter 70% (oder 1.850 kWh) abgesunken.

Die Jahresarbeitszahl (bezogen auf den bisherigen Beobachtungszeitraum von 5 Monaten der Kernheizperiode) betrug somit unter Berücksichtigung von Wärmepumpe und Solepumpe 4,2. – Nicht schlecht für einen sanierten Altbau, der zum Teil noch mit Flachheizkörpern beheizt wurde…

Arbeitszahl

Arbeitszahl für den kombinierten Heizungs- und Warmwasserbetrieb (GRÜN) und für den Warmwasserbetrieb alleine (ORANGE).
Die aktuelle Arbeitszahl (gepunktete Linie) wurde über ein Messintervall von ca. 1 Tag bestimmt, die kumulierte Arbeitszahl ist der Mittelwert über die bisherige Messdauer.

Schlüssel für diese hohe Jahresarbeitszahl waren:

  • optimierte, auf die Siedler abgestimmte, Raumtemperatur (21°C) und Warmwassertemperatur (49°C)
  • eine spezielle Regelungsstrategie und optimierte Reglerparameter für die Reduktion der Vorlauftemperatur auf durchschnittlich 35,4°C (Flachheizkörper)
  • Warmwasserbereitung mittels Hygienespeicher und einer maximalen Vorlauftemperatur von ca. 51°C
  • relativ hohe mittlere Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe von 2,3°C
Temperaturen und Eisverlauf

Zeitlicher Verlauf verschiedener für den Anlagenbetrieb relevanter Temperaturen.
Die Vorlauftemperatur ist durch den Heizkreis mit Flachheizkörpern im Erdgeschoß bestimmt.
Zusätzlich ist der zeitliche Verlauf der Eisbildung im Wassertank dargestellt (gesamter Tankinhalt sind ca. 25 m3).

Bisher waren an Stromkosten für Wärmepumpe und Solepumpe 614 € angefallen, was im Vergleich zum früher verwendeten Gas-Brennwert-Gerät einer Heizkosten-Ersparnis von 45% entsprach.

Kosten und Ersparnis

Die Stromkosten für Wärmepumpe und Solepumpe (ROT) werden mit den theoretischen Kosten für die Gasheizung (BLAU punktiert) verglichen. Aus der Differenz ergibt sich die Ersparnis (GRÜN).
Die rot gepunktete Linie zeigt die Stromkosten für die Gesamte Heizungsanlage (inkl. 2 Heizkreispumpen).

Und der Umwelt waren in diesen 5 Monaten auch 2.978 kg CO2 erspart geblieben …

Weiterführender Link: Details und aktuelle Messdaten zu dieser Wärmepumpenanlage

Eine gute Investition!

Wo sind die Zeiten, als Irgendwer für sein Taschengeld, das er in die Sparbüchse gesteckt hatte noch soviel Zinsen von der Bank bekommen hatte, dass es sich ‚ausgezahlt hatte‘, zu sparen. Davon konnte man heute nur mehr träumen, denn inzwischen nagte die Inflation unbarmherzig an seinem Ersparten.

Die Geschichte des Sparefroh

Früher – ganz früher – hatte der Sparefroh dafür gesorgt, dass sich sein Taschengeld auf der Bank vermehrte. Heute nagte die Inflation an seinem Ersparten …
Bild: Sparkasse

Vor allem die Energie- und damit die Heizkosten waren in den letzten Jahren so stark gestiegen, wie nie zuvor. Umso mehr erfüllte ihn seine letzte Investition, mit der er seine bisherige Gasheizung durch die Erfindung (ein Wärmepumpensystem) ersetzt hatte, mit Genugtuung.

Nachdem er folgende  Rechnung für die Heizkosten-Ersparnis angestellt hatte, war es ihm sehr schnell klar geworden, dass es zwei wesentliche Faktoren gab, die für eine möglichst hohe Heizkostenersparnis ausschlaggebend waren:

  • eine hohe Jahresarbeitszahl (JAZ) seiner Wärmepumpenanlage
  • das Verhältnis von Strompreis / Gaspreis
Heizkostenersparnis: Wärmepumpe vs. Gas-Brennwert

Wenn man davon ausgeht, dass die Energiepreise für Strom und Gas zukünftig im gleichen Ausmaß steigen (Verhältnis Strompreis / Gaspreis bleibt über die Zeit unverändert), bestimmen die Jahresarbeitszahl (JAZ) und die (bisherigen) Heizkosten der Gasheizung (HK) die Ersparnis.

Was Irgendwem an dieser Rechnung besonders gefiel, war die Tatsache, dass seine Jährliche Ersparnis (in Euro) automatisch mit steigenden Gaspreisen steigen würde und damit die Inflation automatisch abgegolten war: dafür sorgte der Vor-Faktor ‚Heizkosten Gasheizung‘ (HK) in seiner Rechnung.

Wenn sich Irgendwer die Ersparniskurve grafisch veranschaulichte, wurde auch noch ein weiterer Aspekt der Rechnung augenfällig: Es gab eine minimale Jahresarbeitszahl, ab der sich seine Investition überhaupt erst lohnte!

Heizkosten Ersparnis: Grafische Darstellung

Mit einer Wärmepumpe kann man gegenüber einer Gas-Brennwert Heizung erst dann Heizkosten sparen, wenn die Jahresarbeitszahl größer ist als das Verhältnis von Stromkosten / Gaskosten.
Das gilt sinngemäß auch für andere Energieträger (Öl, Pellets, …)

Nach seinen bisherigen Messungen lag die Jahresarbeitszahl der Erfindung mit JAZ = 4,2 aber wesentlich über diesem minimalen Wert und daher deutlich in der Gewinnzone.

Und das war nur die reine Heizkosten-Ersparnis. Wenn er daran dachte, dass er sich zukünftig auch die jährliche Wartung seiner Gasheizung sparen würde, wurde ihm ganz warm ums Herz …