Photovoltaik und Wärmepumpe: Tagesverläufe

… aber den Strom, den kann ich mir auch selber machen – im Gegensatz zu Pellets, Holz, Gas oder Öl  …

So ähnlich begründen viele Siedler und Wärmepumpenfreaks die Wahl ihrer PV-Anlage. Auch auf diesem Blog wurde zu diesem Thema schon berichtet und philosophiert – mit der gebotenen Vorsicht: Die täglichen Energiebilanzen zeigten, dass es ohne Batterie nur schwer gelingt, Eigenverbrauch und ‚Autarkie‘ deutlich zu steigern gegenüber einem Haushalt ohne Wärmepumpe – trotz des Energiehungers der Wärmepumpe, der Optimierung des Warmwasserprogrammes und der obsessiven Beschäftigung mit den Eigenheiten sämtlicher Stromverbraucher.

Die folgenden Bildchen aus dem ersten Betriebsjahr sollen das an einigen täglichen ‚Leistungskurven‘ im Lauf eines Jahres zeigen. Uhrzeiten werden ohne Berücksichtigung der Sommerzeit dargestellt.

Verglichen wird jeweils der tägliche Verlauf …

  • … der vom PV-Generator gelieferten elektrischen Leistung (Geloggt am Fronius-Symo-Wechselrichter)
  • … der benötigten Leistung für den Kompressor der Wärmepumpe (Gemessen mittels Energiezähler CAN-EZ an der Steuerung UVR1611)
  • … dem Nettostromverbrauch des gesamten Hauses inklusive Wärmepumpe, wobei die Überschusseinspeisung positiv gezählt wird (Smart Meter EM210, direkt hinter dem Siemens-AMIS-Zähler des Netzbetreibers angebracht).

Eine (nicht modulierende) Wärmepumpe liefert immer die nominelle Heizleistung und benötigt daher als Input ca. 1/4 dieser Energie. Die Siedler verwenden eine 7kW-Wärmepumpe. Damit muss der PV-Wechselrichter – je nach aktuell benötigter Heizungs- oder Warmwasservorlauftemperatur – zwischen 1,5 und 2,5kW liefern. Je mehr Heizenergie benötigt wird, umso länger / öfter läuft die Wärmepumpe. Der PV-Generator muss also genau zum richtigen Zeitpunkt eine relativ hohe Leistung zur Verfügung stellen.

Das bestmögliche Ergebnis im tiefsten Winter

An einem sonnigen Tag nahe der Wintersonnenwende kann im besten Fall zwischen 10:00 und 14:00 durch Sonnenenergie alleine geheizt werden:

2015-12-31: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Diese Tage sind aber selten und in der kalten und langen Nacht wird ein wesentlicher Teil der Heizenergie benötigt.

Sommerlicher Überschuss

Im Sommer liefert die PV-Anlage untertags genug Energie um den Haushaltsstrombedarf zu decken und sogar zweimal Warmwasser aufzuheizen – in der Früh und am Nachmittag:

2015-07-01: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Aber selbst wenn die Spitzen wolkenbedingt abgeschnitten würden, würde es an der gesamten Tagesbilanz gar nicht so viel ändern: Die Wärmepumpe benötigt im Sommer nur einen Bruchteil der gesamten verbrauchten Energie – 1-2kWh von 10-11kWh pro Tag.

Fette Ernte im Frühling

An einem ebenso schönen Frühlingstag ist der PV-Output aufgrund der geringeren Außentemperatur höher als an einem heißen Sommertag. Da noch geheizt wird, können neben der Warmwasserbereitung auch weitere Heizintervalle abgedeckt werden – die optimale Situation.

2016-04-29: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Die elektrischen Leistungen für den Kompressor der Wärmepumpe liegen in der gleichen Größenordnung wie die Leistungsspitzen von Haushaltsgeräten wie Herd oder Wasserkocher zum Erhitzen benötigt werden. Kochen während eines Heizintervalls könnte man ’stromautark‘ mit der 5kW-PV-Anlage der Siedler nur zu Mittag an solchen Tagen.

Der Normalfall: Schlechtes Timing

An einem typischen Tag in der Übergangszeit wechseln Wolken und Sonnenschein rasch ab. In diesem Beispiel passt das Timing der Warmwasserbereitung genau nicht zu den optimalen Ernteintervallen.

2016-03-29: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Zu Mittag wurden an dem Tag mehr als 3,5kW verbraucht (negative blaue Spitze) – hier siegte das unkontrollierbare Bedürfnis nach Kaffee oder Tee über die Energiespar-Begeisterung. Auch die smarteste Regelung könnte diesen raschen Wechsel von Sonne und Wolken nicht vorhersehen (außer man verfolgt einzelne Wolken…). Aus diesem Grund sind die Siedler auch etwas skeptisch, was das Anfordern der Wärmepumpe durch ein Signal der PV-Anlage betrifft.

Hundstage

Jetzt war es amtlich. Pannonien und Umgebung hatte soeben den wärmsten Juli der Messgeschichte erlebt. Eine besondere Herausforderung waren die teilweise extrem warmen Nächte gewesen, in denen die Temperaturen kaum unter 25°C gesunken waren.

Hundstage

Hundstage …

Bei diesen tropischen Bedingungen, war es eine Wohltat auf die passive Kühlung von LEO_2 zurückgreifen zu können. Nur so war es Irgendwem gelungen, die Raumtemperatur in der Siedlerhütte auf einem erträglichen Niveau zu halten.

Mit den Erfahrungen der letzten Jahre hatte Irgendwer seine Kühlstrategie weiter verfeinert:

Eisspeichertemperatur. Dieses Jahr hatte er die Erwärmung des Eisspeichers nach der Eisperiode bereits Anfang April bei 8°C gestoppt. Seit Anfang Mai war der Kollektor praktisch arbeitslos und wurde fallweise nur noch zur Kühlung des Eisspeichers eingesetzt – sofern die Außentemperaturen niedrig genug dafür waren.

Hundstage: Temperaturen & Arbeitszahl

Obwohl Irgendwer die Temperatur des Eisspeichers nach der Eisperiode auf 8°C bergrenzt hatte (roter Pfeil), war der Kühlvorrat nach 3 Hitzeperioden (grüne Pfeile) nun fast erschöpft. Dafür war aber – mit der schrittweisen Erwärmung des Eisspeichers – auch die Arbeitszahl wieder gestiegen.

Sein Kummer über die dadurch etwas geringere Arbeitszahl bei der Warmwasserbereitung war mit dem Fortschreiten des Jahres sehr rasch der Freude über den größeren Kühlvorrat gewichen. – Mehr noch, er hatte sich für das nächste Jahr schon vorgenommen, die Erwärmung des Eisspeichers nach dem Winter noch früher zu stoppen oder sogar etwas Eis übrig zu lassen …

Raumtemperatur. Da die Siedler sommerliche Raumtemperaturen bis zu 25°C noch als durchaus akzeptabel empfinden, hatten sie in der Regelung festgelegt, dass die Kühlung erst ab einer Raumtemperatur von 24°C aktiviert wurde. Das verhinderte einen unnötigen Verbrauch des Kühlvorrates, der dann dafür für die wirklich heißen Tage zur Verfügung stand.

Warmwasserbereitung. Die Zeitintervalle für die Warmwasserbereitung hatte Irgendwer inzwischen auf Zeiten mit ausreichender Sonnenstrahlung gelegt, womit er zwei Fliegen mit einer Klappe erschlug: (1) konnte der Photovoltaikstrom optimal ausgenutzt werden und (2) fiel die zusätzliche Kühlung durch die Wärmepumpe dann in die warme Tageszeit (genau dort wo sie auch gebraucht wurde).

Kühlstrategie

Die blaue Linie zeigt, mit welcher Leistung der Pufferspeicher (aus dem der Heiz-/Kühlkreis gespeist wird) gekühlt wird. Die passive Kühlung lieferte bei den Bedingungen am 21./22.07.2015 ca. 1 kW Kühlleistung wodurch der Anstieg der Raumtemperatur gebremst (aber nicht gestoppt) wurde. Wenn die Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung lief (blaue Pfeile) stieg die Kühlleistung auf ca. 4 kW. Für das tatsächliche Absenken der Raumtemperatur war das nächtliche Lüften zusätzlich zur passiven Kühlung aber unerlässlich.

Lüftung. Die nächtliche Lüftung war ein wesentlicher Bestandteil der Kühlstrategie. Sie entlastete die LEO_2-Kühlung, die während der Nacht per Zeitschaltuhr deaktiviert war, und schonte damit den Kühlvorrat.

Lüften während der Nacht

Kurz vor Sonnenaufgang war die Luft am kühlsten. Gleich nach dem Aufstehen wurden die Fenster geschlossen. Denn bereits um 8 Uhr betrug die Außentemperatur an manchen dieser Hundstage schon wieder um die 30°C.

Und die bei Tag aktivierten Schutzschilde waren ohnehin selbstverständlich …

Sonnenschutz bei Tag

Sonnenstrahlung: Was für die Photovoltaikanlage ein Segen war, war für das angenehme Raumklima im Sommer absolut kontraproduktiv. Daher war es unverzichtbar, die Schutzschilde (wie die Markisetten von den Siedlern genannt wurden) auszufahren.

Efficiency follows comfort

Obwohl sich der Mai mit ein paar kalten Tagen in sprichwörtlich erfrischender Weise vom durchwegs zu warmen Winter distanzierte, hatte sich LEO_2 inzwischen wieder in den Sommerschlaf begeben. Die Heizkreise standen (fast) still. Nur wenn Warmwasser benötigt wurde, gab LEO_2 mit einem kurzen Pulsschlag noch ein Lebenszeichen von sich.

Herzschlag-LEO_2-Warmwasser

LEO_2 im Sommerbetrieb (Warmwasserbereitung): Der Anstieg der Vorlauftemperatur (rot) zeigt an, wann die Wärmepumpe läuft. Die grün gepunktete Line ist die Temperatur im unteren Bereich des Hygienespeichers.

Genau genommen waren es eigentlich genau zwei Pulsschläge pro Tag, wobei der eine am Nachmittag noch ein wenig kräftiger ausfiel als jener am Vormittag. Und das war nicht zufällig so, sondern das Ergebnis langjähriger Warmwasser-Effizienz-Forschung in Abstimmung mit den Lebensgewohnheiten und Komfortbedürfnissen der Siedler. Immer unter strenger Berücksichtigung des Grundprinzips:

‚Efficiency follows comfort‘

das sich Irgendwer in Anlehnung an das Designprinzip ‚Form follows function‘ zu eigen gemacht hatte.

Denn Effizienz und Komfort mussten sich nicht unbedingt ausschließen. Wenn die Anforderungen an den Komfort einmal festgelegt waren, bot LEO_2 diverse Möglichkeiten, die notwendige Warmwassermenge und Temperatur in möglichst effizienter Weise bereitzustellen:

Warmwassertemperatur. Die Warmwassertemperatur hat bei jedem Wärmepumpensystem einen empfindlichen Einfluss auf die Leistungszahl der Wärmepumpe. Jedes Grad, das das Wasser über die nötige Temperatur hinaus erwärmt wird, senkt die Effizienz ohne zusätzlichen Komfortgewinn.

Temperaturen und Tagesarbeitszahl

Im reinen Warmwasserbetrieb (hellblauer Bereich) steigt die mittlere Vorlauftemperatur der Wärmepumpe auf ca. 47°C, die Soleeintrittstemperatur von ca. 8°C hängt mit der absichtlich begrenzten Eisspeichertemperatur zusammen. Zusammen ergibt das immer noch eine Arbeitszahl für die Warmwasserbereitung von ca. 4.

Eisspeichertemperatur. Neben der Warmwassertemperatur ist die Temperatur der Wärmequelle der zweite Parameter, der die Leistungszahl der Wärmepumpe direkt beeinflusst. Wenn der Kollektor permanent zugeschaltet gewesen wäre, hätte die Eisspeichertemperatur wahrscheinlich schon im April die maximale – nur durch die Einsatzgrenze der Wärmepumpe begrenzte – Marke von 20°C erreicht. Die Siedler setzten aber auf passive Kühlung im Sommer und hatten daher als Kompromiss zwischen Wärmepumpeneffizienz und Kühlvorrat die Temperatur des Eisspeichers mit 8°C begrenzt.

Die Wärmepumpe arbeitete so gesehen also gleichzeitig als Warmwasserbereiter und Eisspeicherkühlung.

Speicherverluste. Je höher die Temperatur des Warmwasserspeichers, umso höher der Verlust der erzeugten Wärme an die unmittelbare Umgebung. Warmes Wasser sollte also möglichst unmittelbar nach der Erzeugung verbraucht werden. Bei längeren Standzeiten ohne Warmwasserentnahme (z.B. über Nacht) sollte die Speichertemperatur nicht unnötig hoch gehalten werden. Daher ist auch das ‚Dahinwärmen‘ des Warmwassers bei einer hohen Speichertemperatur zweifach ineffizient: (1) höhere Speicherverluste und (2) geringere Leistungszahl der Wärmepumpe.

Hygienespeicher

Selbst bei guter Isolierung verliert der Hygienespeicher laufend Energie an die Umgebung: umso mehr, je höher die Warmwassertemperatur.

Photovoltaikstrom. Neuerdings galt es ja noch einen weiteren Aspekt zu berücksichtigen: die Photovoltaikanlage am Dach der Siedlerhütte. Von einem schnöden Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit betrachtet, war es nämlich besonders wichtig, möglichst viel von dem selbst erzeugten Strom auch selbst zu verbrauchen. Die Wärmepumpe sollte daher zu Tageszeiten laufen, zu denen genügend PV-Strom zur Verfügung stand.

PV-Anlage-Leistung-Tageszeit

PV-Leistung an einem sonnigen Tag im Mai. Für die Warmwasserbereitung benötigt die Wärmepumpe der Siedler etwas mehr als 2 kW. Daraus ergibt sich das eingezeichnete Zeitfenster für den Betrieb der Wärmepumpe.

Zeitprogramm. Aus diesen Überlegungen hatte sich das folgende recht einfache Zeitprogramm für die Warmwasserbereitung ergeben, das den sommerlichen Pulsschlag von LEO_2 erklärte:

  • 09:00 – 10:00: Zeitfenster für Aufheizen auf 47°C (reduzierter Warmwasserbedarf über den Tag)
  • 16:00 – 17:00: Zeitfenster für Aufheizen auf 50°C (Vorbereitung für eine genussvolle Siedlerdusche nach vollbrachtem Tagwerk)

Und für Abweichungen vom geregelten Siedler-Alltag gab es – Danke, UVR1611! – ja immer noch einen Knopf in der Regelung ‚Einmaliges Laden starten‚, mit dem der Hygienespeicher jederzeit kurzfristig auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden konnte …

UVR1611-Einmaliges Laden

Wenn alle Stricke reißen: Einmaliges Laden starten.

Von der Kneipp-Kur zur Genussdusche

Es war einmal ein Siedler, der hatte ein schönes Plätzchen gefunden und dort seine Siedlerhütte gebaut. Und damit es im Winter auch schön warm in seiner Hütte wurde, hatte er weder Kosten noch Mühen gescheut, um ein angemessenes Heiz- und Warmwassersystem einzubauen.

Hydraulikschema: Heizungs- und Solaranlage

Hydraulikschema dieser Siedlerhütte: Die zentrale Schaltstelle der Heizungsanlage ist der ‚Puffer Warm‘ (1), der von einer Solaranlage (2) und einer Gastherme (3) mit Wärme versorgt wird. Wärmeverbraucher sind die Raumheizung (4) und die Warmwasserbereitung über eine Frischwasserstation (grüner Kreis, (5)).

Das absolute Highlight der Installation war für diesen Siedler seine Regendusche, auf deren Inbetriebnahme er sich schon unbändig freute. Auch wenn so mancher Neider diese Regendusche als unnötigen Luxus abtat, für ihn sollte eine lange heiße Genussdusche der verdiente Abschluss eines jeden anstrengenden Arbeitstages werden!

Doch es kam anders…

Mission Accomplished - ALS Ice Bucket Challenge (14848289439)

Irgendwie wollte sich der Genuss beim Duschen nicht so richtig einstellen.

Handwerker wurden gerufen, die – nachdem sie sich ob der zu niedrigen Warmwassertemperatur ratlos am Kopf gekratzt hatten – den großen Wärmetauscher der Frischwasserstation durch einen noch größeren Wärmetauscher ersetzten.

Auch wenn es der selige Pfarrer Kneipp mit seinen Wechselbädern gut gemeint hatte, sie waren auf jeden Fall das Falsche für des Siedlers Regendusche. Diese lieferte nun – nachdem die Handwerker abgezogen waren – zwar eine halbwegs vernünftige Temperatur, dafür jedoch ‚erträgliche, aber deutlich spürbare‘ Temperaturschwankungen.

So wurde es zur traurigen Gewissheit, dass wohl die Regelung der Frischwasserstation der Grund des Übels war. Von der Vorstellung einer echten und uneingeschränkten Genussdusche beseelt, begab sich der Siedler wieder auf die Suche nach Hilfe und fand schließlich Irgendwen, der seine Universalregelung (eine UVR1611) genauer unter die Lupe nehmen und ihm bei der Lösung seines Problems helfen konnte.

BL-NET im Kabelgewirr

Unscheinbar im Kabelgewirr verborgen, jedoch von größter Hilfe für die Fernanalyse des Reglerproblems: der ‚Bootlader‘, kurz auch ‚BL-NET‘ genannt.

Glücklicherweise besaß der Siedler auch einen ‚Bootlader‘ (BL-NET), über den er Irgendwem Fernzugriff auf die UVR1611 gewähren konnte. Zusammen mit einem Hydraulikschema, das der Siedler Irgendwem per elektronischer Post zukommen ließ, konnte das Problem rasch lokalisiert werden:

UVR1611-Drehzahlregelung

Funktionsbaustein ‚PID Regelung‘ der UVR1611 zur Drehzahlregelung der Warmwasserpumpe (P1).

Da gab es einen Funktionsbaustein, einen sogenannten PID-Regler, der für die Regelung der Warmwasserpumpe P1 zuständig war.

Hydraulikschema: Detail Frischwasserstation

Hydraulikschema: Detail Frischwasserstation

Je höher die Pumpendrehzahl von P1, umso mehr Energie wurde aus dem ‚Puffer Warm‘ zur Erwärmung des Leitungswassers herangezogen und umso höher wurde die Warmwassertemperatur. Die Aufgabe des PID Reglers war es, die Pumpendrehzahl dynamisch so anzupassen, dass der eingestellte Sollwert für die Warmwassertemperatur möglichst gut gehalten wurde. Auch wenn sich die Temperatur des Puffers oder der Durchfluss des Leitungswassers änderte.

UVR1611-Drehzahlregelung-Detail-PID

Unscheinbar, aber extrem wichtig: Regelparameter P, I und D.

Die Regelparameter P (Proportionalanteil), I (Integralanteil) und D (Differentialanteil) waren für die Funktionsweise der Frischwasserstation von allerhöchster Wichtigkeit, was von den ursprünglichen Schöpfern der Anlagenregelung sträflich missachtet wurde. Das hatte dazu geführt, dass

  • die Warmwassertemperatur pausenlos zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert hin- und herschwang (was zu diesem ‚Kneipp-Feeling‘ beim Duschen führte)
  • die mittlere Warmwasser-Isttemperatur um ca. 8°C unter dem Sollwert lag (was unnötig hohe Temperaturen im ‚Puffer Warm‘ verlangte).

Und so machte sich Irgendwer gemeinsam mit dem Siedler daran, diese Regelparameter zu optimieren, was über die Ferne wohlkoordiniert werden musste, um die noch erträgliche ‚Kneippkur‘ nicht zur grenzwertigen ‚Ice Bucket Challenge‚ werden zu lassen…

Schließlich kam der langersehnte Tag, da die Parameter richtig eingestellt waren und der Siedler für seine Ausdauer belohnt wurde und er zum ersten Mal die uneingeschränkte Wohltat seiner Regendusche genießen konnte.

Shower close up

Die optimierten Regel-Parameter hatten nicht nur des Siedlers größten Wunsch erfüllt, sie hatten zusätzlich auch noch die folgenden positiven Nebenwirkungen:

  • die Temperatur des ‚Puffer Warm‘ konnte bei einem besseren Komfort um ca. 8°C abgesenkt werden, was eine höhere Effizienz der Solaranlage und niedrigere Bereitstellungsverluste bedeutete.
  • der Siedler war noch nie so sauber wie jetzt gewesen, denn jede Parameteränderung hatte natürlich sofort durch eine Probedusche verifiziert werden müssen …

Die Kühlbilanz eines heißen Sommers

Das war ein außergewöhnlicher Sommer gewesen, angeblich der sechstheißeste seit Beginn der Wetteraufzeichnungen.

Sonnenblumen

Doch inzwischen hielt der Herbst schön langsam wieder Einzug in z-village: Die Nächte wurden frischer, die Tomatenernte fiel von Tag zu Tag kläglicher aus, und das ferne Kreischen einer Kreissäge zeigte an, dass die Siedler von z-village schon wieder fleißig die Holzvorräte für den Winter einlagerten…

Irgendwer war wirklich froh, die Erfindung vor diesem Sommer in Betrieb genommen zu haben, denn ohne die Kühlfunktion wäre er wohl zeitweise gehörig ins Schwitzen geraten.

Sommerbetrieb LEO_2

Sommerbetrieb LEO_2: Zur Kühlung der Siedlerhütte wird der Solekreislauf über den Wassertank (3) gekühlt und durch den Pufferspeicher (7) geleitet. Damit wird das Wasser des Heizkreises gekühlt, der dadurch zum Kühlkreis wird. Wenn die Wärmepumpe (1) gleichzeitig den Hygienespeicher (6) erhitzt, wird die Sole und damit der Pufferspeicher zusätzlich gekühlt.

Im Sommer hatte die Erfindung ja zwei Aufgaben zu erfüllen:

Für die (1) Warmwasserbereitung sollte die Temperatur im Wassertank möglichst hoch sein, um eine hohe Wärmepumpen-Arbeitszahl und damit geringe Stromkosten zu erreichen.

Um genügend Kühlreserve für die (2) passive Kühlung der Siedlerhütte zu haben, durfte die Temperatur im Wassertank aber nicht zu hoch werden.

Um diese knifflige Aufgabe zu lösen, hatte Irgendwer zunächst die Maximaltemperatur des Wassertanks als einstellbaren Parameter in die Regelung eingebaut. Sobald der Wassertank diese Temperatur überschritt, wurde der Kollektor als Wärmequelle ausgeschaltet. Mehr noch, er wurde sogar zur Kühlung des Wassertanks benutzt, wenn die (nächtlichen) Außentemperaturen unter die Temperatur im Wassertank sanken.

Tankkühlung über den Kollektor

Nutzung des Kollektors zum Kühlen des Wassertanks. Dadurch kann die Kühlkapazität während kühler Nächte und Kaltwetterperioden wieder aufgeladen werden.

Zusätzlich musste Irgendwer seinen begrenzten Kühlvorrat mit Bedacht nutzen. Dazu schaltete die Regelung erst dann in den Kühlmodus, wenn die Raumtemperatur eine einstellbare Grenztemperatur (z.B. 24°C) überschritt. Außerdem sorgte eine Zeitschaltuhr in der Regelung dafür, dass die Kühlung während der kühleren Nachstunden deaktiviert wurde, wenn die Fenster zur Lüftung weit geöffnet waren.

Für den Sommer 2013 hatte das folgendermaßen ausgesehen:

Temperaturen & Passive Kühlung 2013

(1) Nach einem hartnäckigen Winter steigt Mitte April aufgrund hoher Kollektorernten die Tanktemperatur rasch auf den eingestellten Maximalwert von 14°C.
(2) Erste Hitzeperiode Anfang Juni. In der nachfolgenden kühlen Wetterphase wird der Tank wieder aktiv über den Kollektor abgekühlt.
(3) Zwei Hitzewellen folgen mit kurzem Abstand direkt hintereinander. Dadurch steigt die Tanktemperatur auf 20°C.
(4) Ende August (Ende der Kühlperiode) wird die Maximaltemperatur des Tanks auf 20°C angehoben (‚Einlagerung‘ des Wärmevorrates für die Heizperiode beginnt).

Aufgrund der relativ hohen Temperaturen im Wassertank hatte Irgendwer für die Warmwasserbereitung in den Sommermonaten (Zeitraum Ende April bis Anfang September) eine ganz respektable Arbeitszahl von 4,6 erreicht.

Der Kollektor war in den Sommermonaten praktisch nur zur Kühlung des Wassertanks aktiv.

Während des Kühlbetriebes waren aus dem Obergeschoß insgesamt ca. 400 kWh an Wärmeenergie abgeführt (‚weggekühlt‘) worden.

Da der Kühlvorrat gegen Ende der Hitzeperioden jedoch ziemlich erschöpft war, war auch die Strategie für das nächste Jahr schon vorgegeben: nämlich die maximale Tanktemperatur auf Kosten der Arbeitszahl um einige Grade nach unten zu verschieben, dafür aber mehr Spielraum für die passive Kühlung zu haben …

Plötzlich Sommer!

Der Frühling war dieses Jahr wirklich eine Memme! Hatte er lange Zeit mit dem Winter gekämpft, so war er nun – wahrscheinlich noch von den zermürbenden Scharmützeln mit dem Frost geschwächt – beinahe vom pannonischen Sommer überrollt worden.

Sonnenuntergang z-village

Sonnenuntergang über z-village: Ein Gruß vom Sommer.

Seit dem letzten Schnee waren die Temperaturen innerhalb von drei Wochen kontinuierlich gestiegen und hatten vor wenigen Tagen sogar den 30er geknackt!

Damit war nach einer außerordentlich kurzen Übergangszeit auch die Heizsaison Geschichte. Die ‚Erfindung‚ war praktisch in den Sommerbetrieb übergegangen, der sich wie folgt darstellte:

Nachdem der Energiespeicher wieder voll aufgeladen war, waren sowohl Wärmepumpe als auch Kollektor nur noch während der Warmwasserbereitung aktiv.

Temperatur und Eis im Wassertank

Nachdem das letzte Eis geschmolzen war, war die Temperatur im Wassertank (‚Eisspeicher‘) aufgrund der frühsommerlichen Witterung innerhalb von guten 2 Wochen auf die mit 14°C begrenzte Maximaltemperatur angestiegen.

Hätte Irgendwer – oder die von ihm programmierte Regelung – dem Kollektor nicht Einhalt geboten, hätte dieser die nun im Überfluss vorhandene Umweltenergie unentwegt in den Tank gepumpt und diesen wohl innerhalb weniger Tage auf Temperaturen über 20°C erwärmt. Das sollte aber aus zwei Gründen nicht geschehen:

  • Die Wärmepumpe durfte nicht mit Sole-Eintrittstemperaturen über 20°C betrieben werden.
  • Es würde die Zeit kommen, zu der ein kühler Tank für die passive Kühlung der Siedlerhütte noch sehr wertvoll sein würde.

Derzeit war diese Tanktemperatur aber ein guter Kompromiss zwischen ’nicht zu warm‘ und ‚möglichst hohe Soleeintrittstemperatur für eine effektive Warmwasserbereitung‘.

Arbeitszahl Wärmepumpe

Mit den hohen Temperaturen der Wärmequelle war auch die Arbeitszahl der Wärmepumpe rasant angestiegen. Sogar im reinen Warmwasserbetrieb lag sie inzwischen deutlich über 4 (die aktuelle Arbeitszahl wurde über ein Messintervall von 1 bis 2 Tagen ermittelt).

Irgendwer plante, die Tanktemperatur gegen Sommer wieder langsam absinken zu lassen, damit die Erfindung dann auch ihre Kühlaufgabe besser erfüllen konnte.

Ach ja, und irgendwelche Winterschuhe konnten nun auch endgültig im Kasten verstaut werden. Dazu war in der Kürze der Zeit noch gar keine Gelegenheit gewesen …

Winterschuhe - Ab in den Kasten!

Winterschuhe – Ab in den Kasten!

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