Eine Wärmepumpe zur Warmwasser- und Heizwärmeversorgung

Der Extrakt fuer die Numeriker zuerst:

Letzte Anlagenstatistik vom: 01.08.2000

Prolog:

1989 kauften wir eine Eigentumswohnung. Einer der Entscheidungsgruende war neben der Lage, der Lage und der Lage (kennen Sie den Werbespruch? ;-)) die fuer damalige Verhaeltnisse forschrittliche Niedrigenergie-Bauweise. Sie wurde jedoch nicht allzu konsequent bis ins letzte Detail durchdacht und so bereitete mir besonders die Warmwasserbereitung mit Strom in Durchlauferhitzern ein schlechtes Gewissen. Die 'edle' Energie Strom ist m.E. viel zu schade, um damit nur niedrigtemperierte 'Prozesswaerme' herzustellen, z.B. zum Heizen des Warmwassers. Dafuer sind die Wirkungsgrade unserer Kraftwerke mit ihren nicht mal 40% zu schlecht.

Wer will, kann die Anlage KAUFEN , aber nur im Paket mit der Wohnung ;-)

Energie-Versorgung, die vom Bautraeger realisiert wurde:

Heizung: Gas-Zentralheizung mit 128 kW fuer insgesamt 17 Wohnungen, lange Vor-/Ruecklaufstraenge mit entsprechenden Waermeverlusten; ist trotzdem gerade noch als Niedrigenergiehaus zu bezeichnen: Aussendaemmung mit 80 mm Styrodur und Isolierputz, ebenso isolierte Bodenplatte, Isolierverglasung, Rollaeden. Durch die kompakte Bauweise heizen sich die Wohneinheiten gegenseitig, allerdings haben die Aussenliegenden etwas das Nachsehen, sprich etwas hoehere Heizkosten. Dafuer sind sie auch etwas besser lichtdurchflutet.

Warmwasser: Versorgung dezentral mit Durchlauferhitzern in jedem Bad bzw. bei EG-Wohnungen im Kellerraum, Beistellspeicher drucklos fuer die Kuechen. Dies war der billigste Weg fuer den Bautraeger, er spart sich Speicher, Leitungen, Abrechnungsgeraete, Kamine; die hohen Energiekosten sollen spaeter die Eigentuemer tragen. Sehr kurzfristig gedacht!

Betriebsbedingungen der Waermepumpe:

Die Installation befindet sich im Wasch- und Lagerraum unserer Wohnung. Rundum sind clusterartig weitere Raeume dieser Art angeordnet, da auch die Bewohner der DG-Wohnungen des Mehrfamilienhauses dort noch einen Raum besitzen. Fast alle Raeume sind fensterlos, d.h. die von Haushaltsgeraeten produzierten Waermemengen koennen nicht an die Umgebung abgegeben werden und heizen die Raeume unnoetig auf. Vor der Installation der Anlage hatten wir dort auch im Winter ohne Heizung staendig mehr als 20 Grad C. War der Waeschetrockner in Betrieb, wurden durch die Abwaerme ueber 25 Grad erreicht. Die Waeschetrockner geben ihre Waerme direkt an die Raumluft ab, da es sich ueberwiegend um Kondensationsgeraete handelt. Das Abwasser der Waschmaschinen und Baeder wird in 50-l-Abwasserhebeanlagen gesammelt und durch Pegelschalter 2 m hoeher in die Kanalisation gepumpt. Dies war beim Bau erforderlich, da sich die Rueckstauebene relativ hoch befindet. Durch diese Betriebsweise wird mehr als die Haelfte der Abwaerme des Wassers wieder an den Raum abgegeben, da es eine ganze Weile dauert, bis es endgueltig in die Kanalisation gelangt und es sich inzwischen fast wieder auf Raumtemperatur abkuehlt. Dies ist eine (vermutlich in dieser Art vom Architekt nicht geplante) Art von 'Energie-Recycling'.

Wie funktioniert's:

Die Waermepumpe nutzt nun genau diese 'Abfallwaerme', um damit Wasser zu erhitzen. Sie ist im Prinzip nichts anderes als ein umgekehrter Kuehlschrank. Beim Kuehlschrank sind jedoch beide Medien Luft, innen wird Luft gekuehlt, aussen wird Luft aufgeheizt. Hier ist Wasser das die Waerme aufnehmende 'Sekundaermedium'. Zugrunde liegt dem der physikalische Carnot-Kreisprozess, darauf im Detail einzugehen wuerde aber an dieser Stelle zu weit fuehren. Nur soviel: er ist umso effektiver, je geringer die Temperaturdifferenz der beiden Medien ist, in unserem Fall bei 25 Kelvin waere theoretisch ein Wirkungsgrad von 11 moeglich. Real erreiche ich im Jahresmittel 3,5. Das zeigt, dass durch high-tech da noch etwas rauszuholen ist!

Die Arbeitszahl von 3,5 sagt aus, dass mit einer kWh elektrischer Energie dem Wasser 3,5 kWh Waerme zugefuehrt werden. Eine direkte elektrische Heizung im Boiler oder Durchlauferhitzer arbeitet immer nur mit einer Arbeitszahl von maximal 1 weil sie keine Umgebungswaerme nutzt.

Nutzeffekte dieser Loesung (was bringt's?):

• Im Hausarbeitsraum herrscht im Durchschnitt nur noch eine Temperatur von 17-18 Grad, was voellig ausreicht, oder sogar zum Lagern von Lebensmitteln besser ist als 20-21 Grad.
• Der Waeschetrockner arbeitet effektiver, da er das Kondensationsprinzip nutzt. Wenn er durch die eigene Energieabgabe an den Raum die Luft uebermaessig heizt braucht er auch mehr Strom, um die gleiche Menge Wasser aus der nassen Waesche zu 'holen'. Wir schalten den Trockner meist abends nach dem Duschen und Kochen an, dann laeuft die Waermepumpe fuer einige Stunden und kann die Abwaerme direkt nutzen. Beide Geraete profitieren davon, Trockner und Waermepumpe arbeiten effektiver als im Alleinbetrieb.
• Das Abwasser von Waschmaschine und Badezimmer laeuft durch die Hebeanlage und gibt seine Waerme wieder an die kuehle Raumluft ab; die dann postwendend wieder von der Waermepumpe in den Speicher gelangt.
• In sommerlichen Hitzeperioden, wenn sich die Wohnung auf mehr als 24 Grad aufheizt, foerdert ein Ventilator abends die ca. 15 Grad kuehle Luft als frische Brise durch einen Luftkanal ins darueberliegende Erdgeschoss, genauso wie eine kleine Klimaanlage. Entfeuchtet wird noch dazu, die Waermepumpe kondensiert bei schwuelem Wetter bis zu 4 l Wasser pro Tag aus der Luft und verschafft uns dadurch ein angenehmeres Raumklima.
• An Fruehlings- und Herbsttagen, wenn nur morgens und abends wenig Heizwaerme benoetigt wird sorgt auch dafuer die Waermepumpe, indem sie den Waermetauscher nutzt, um die Heizkoerper von Baedern und Kinderzimmer zu versorgen. Reicht das dann bei tieferen Temperaturen doch nicht aus, wird automatisch Waerme aus der Zentralheizung dazugemischt.
• Wir brauchen fuer die Warmwasserbereitung nur noch ein Drittel des Stroms wie zuvor, d.h. auch im Geldbeutel macht sich der Aufwand positiv bemerkbar.
• Ausserdem kann ich auch ohne Kuehlschrank (den haben wir natuerlich trotzdem noch in der Kueche stehen) abends ein kuehles Bier trinken, PROST!

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Wer noch mehr wissen moechte, hier geht's ins Eingemachte:

DOKUMENTATION:

Technische Daten, Installation, Betriebsdaten,

Technische Daten der Waermepumpeneinheit:

• Typ: Blomberg WP2704EW
• Waermequelle: Umgebungsluft
• Waermesenke: Warmwasserspeicher
• Brauchwasserinhalt: 255 l
• Anschlussleistung Kompressor: ca. 500 W
• Kuehlleistung des Verdampfers: ca. 1,3 kW bei T_Luft=18 Grad
• Heizleistung des Verfluessigers: ca. 1,8 kW bei T_Wasser=40 Grad
• Bereitschaftsstromverbrauch: ca. 0,3 kWh/d bei o.a. T_L/T_W
• Heizkreiswaermetauscher: Glattrohr-, ca. 1 m²
• Geraeuschentwicklung: etwas mehr als ein alter XT ;-) im Nebenraum jedenfalls nicht als stoerend zu bezeichnen
• Kosten: 3500,- DM zzgl. Install.-Material, (ca. 300,- gingen nochmal drauf)

Installations-Historie:

• 1991: Erst-Installation, Versorgung unserer beiden Baeder (insgesamt 2 Waschbecken, 1 Badewanne, 1 Dusche), Durchlauferhitzer bekommt ueber einen Absperrhahn eine 'Auszeit' verordnet, bleibt aber als Bypass-Backup-Loesung installiert. Investition kann ueber 10 Jahre nach Par. 82 EStG. abgeschrieben werden. Die Stadt verweigert mir aber einen Zuschuss aus dem Umweltfond, weil die Waermepumpe elektrisch betrieben ist. :-(( Dass es in dieser Leistungsklasse keine verbrennungsmotorisch betriebenen gibt (die werden mit bis zu 50% gefoerdert!) interessiert dort ueberhaupt nicht. Ausserdem koennte ich eine solches Geraet in meinem Raum nicht betreiben, weil er fensterlos und auch ohne Kaminanschluss ist.
• 1992: Umstellung auf Doppeltarifzaehler (14 Pf./kWh von 22-06 Uhr). WP laedt nachts bis ueber 45 Grad, der Wasservorrat reicht bis zum naechsten Abend, da wir beide berufstaetig sind. Wie in jedem (guten) Warmwasserspeicher bildet sich eine markante Grenzschicht zwischen oberem warmem Wasservorrat und nachstroemendem Kaltwasser aus. So kann man auch bei nur einer Einschaltung am Tag bis zu 200 l Warmwasser entnehmen, ohne dass die Temperatur 'einbricht'. Ab Mitternacht springt die Waermepumpe an und laedt nach, wobei die Auslauftemperatur fuer 1-2 Stunden auf ca. 35 Grad sinkt. Zu dieser Zeit stoert das aber nur selten. Geraet laeuft zuverlaessig, jede Nacht 3 bis 4 Stunden.
• 1993: Installation eines Luftkanals vom Unter- zum Erdgeschoss. Damit kann im Sommer die Waermepumpe als Klimaanlage genutzt werden. Ein nach der Rohbauphase 1989 installiertes Alu-Wickelfalzrohr vom fensterlosen Kellerraum zum Dach fuehrt im Versorgungsschacht senkrecht nach oben. In der Toilette oeffne ich die Rigips-Verkleidung und setze ein Abzweig-T-Stueck. So kann im Winter der Kanal weiterhin als Entlueftung genutzt werden. Im Sommer blockiert ein kugelfoermiges Schaumstoffteil als Ventil den Weg zum Dach, die kuehle Luft aus dem Waermepumpenraum gelangt ins Erdgeschoss. Eine ausgemusterte Dunstabzugshaube schaltet sich automatisch ein, wenn die Lufttemperatur auf der 'kalten' Seite der Waermepumpe unter 17 Grad sinkt und befoerdert die kuehle und trockene Luft eine Etage hoeher. Erste Versuche mit einem Rohreinschubluefter waren nachts zu laut, die Abzugshaube auf kleinster Stufe erzeugt dank des Axialluefters ein kaum vernehmbares Summen.
• 1994: Durchlauferhitzer verkauft, er wurde nur nach laengerer Abwesenheit genutzt, wenn die Waermepumpe bei Wiederinbetriebnahme lange Ladezeit braucht. Ab Herbst mittags 1-2 Stunden Betrieb, da auch tagsueber durch den Familienzuwachs mehr Warmwasser entnommen wird.
• 1996: Kueche angeschlossen durch 12 mm Cu-Leitung unter der Sockelleiste (ich wollte nicht 6 m Wand aufstemmen). Das 30 cm lange 16er-Bohrloch durch die gegossene Betontreppe (mit einer Extraportion Kieselsteinen darin) liess sich auch realisieren (Hilti sei Dank!). Spuelmaschine erhaelt auch WW-Anschluss, druckloser 5-l-Speicher und passende Spueltischbatterie werden verkauft.
• 1997 Sommer: neue Nachbarn, die auch mit dem Durchlauferhitzer nicht zufrieden sind. Wir bohren ein 18er Loch durch die Wand, schliessen ihre beiden Baeder mit an. Ein weiterer Durchlauferhitzer wird in Rente geschickt. Der WP-Betrieb wird an 2 Nacht- und 2 Tageszeit'fenstern' geschaltet, nachts laedt das Geraet um 4-5 K hoeher, um den Kostenvorteil des Niedrigtarifes auszunutzen. Da die Steuerung dieses Feature nicht vorsieht behelfe ich mir mit einer kleinen Luftmembranpumpe aus dem Aquariumzubehoer. Sie 'pustet' vor Ende der Niedrigtarifzeit kuehle Luft auf den untersten Speicher-Waermefuehler und suggeriert der Elektronik Nachheizbedarf. Dies funktioniert wider Erwarten ganz gut. Die Nachbarn zahlen einen Warmwasserpreis, der etwas ueber meinen 'Erzeugungskosten' liegt, damit die Grundinvestition mit beruecksichtigt wird, jedoch etwa 40% billiger als der des Durchlauferhitzerbetriebes ist.
• 1997 Oktober: Anschluss an Heizkreis, besonders im Herbst und Fruehjahr kann die WP besser Waerme erzeugen als der zentrale Kessel mit seinem 'schlechten' Wirkungsgrad. Eine 35W-Zirkulationspumpe nutzt den freien Glattrohr-Waermetauscher zum Heizen (bis 45 Grad Vorlauftemp.) Diese Loesung kann beim geringen Heizenergiebedarf der Wohnung einen nicht unerheblichen Teil der Heizwaerme bereitstellen (siehe letzte Betriebsstatistik ganz oben!). Je kaelter es draussen ist, d.h. je mehr Heizleistung benoetigt wird, desto weiter kuehlt die Waermepumpe auch den Arbeitsraum herunter. Dann reicht die vorhandene Abwaerme nicht mehr aus und es wird ueber die konventionelle Gas-Zentralheizung Energie 'zugekauft'. Dies erfolgt automatisch durch ein Standard-Thermostatventil im Hauptanschluss des Heizkreises. Sobald im Waermepumpenraum die Temperatur unter 15 Grad sinkt (dann geht der Wirkungsgrad 'in den Keller') oeffnet das Ventil und es wird von der Zentralheizung erhitztes Wasser in den lokalen Heizkreis zugemischt, so dass die Waermepumpe weniger lange in Betrieb sein muss um den Waermebedarf zu decken.
• 1997 November: Warmwasser-Anschluss der Waschmaschine ueber automatisches Schaltgeraet. Bei einem 60 Grad Waschgang muss der Heizstab der Waschmaschine das Wasser nur noch von 45 auf 60 Grad erwaermen. Die 'Vorarbeit' leistet die Waermepumpe, das bedeutet insgesamt rund 50% weniger Stromverbrauch bei dieser Waschtemperatur. Bei der ersten 40-Grad-Waesche wurde der Heizstab der Waschmaschine gar nicht erst eingeschaltet, die Maschine brauchte noch 0,08 kWh Strom.
• 1998 Juli: Warmwasser-Anschluss der Waschmaschine des Nachbarn ueber Schaltgeraet.
• 1999 Mai: Ersatz des Kondens-Waeschetrockners durch ein Waermepumpen- geraet (AEG Lavatherm WP) im Rahmen eines Energiespar-Projekts des lokalen Energieversorgers. Das neue Geraet benoetigt nur noch etwa die Haelfte an Strom und erzeugt natuerlich auch dementsprechend weniger Abwaerme. Dadurch sinkt die Temperatur im Waschraum rechnerisch um ca. 0,5 K im Jahresmittel und die Arbeitszahl der Warmwasser-Waermepunpe geht natuerlich auch etwas 'in die Knie', nach meiner Berechnung etwa von 3,5 auf ca. 3,4. Die jetzt fehlende Waerme wird durch verstaerkten Waermestrom aus den Nebenraeumen ausgeglichen.
• 1999 Okt.: Umstellung auf anderen Stromtarif. Durch die Bewegungen auf dem Strommarkt ist der NT/HT-Tarif nicht mehr guenstiger als das 'Plus-Angebot' unseres Stromversorgers EVO. Daher wird die Waerme ab sofort dann erzeugt, wenn sie auch gebraucht wird (auch wenn damit hauptsaechlich Spitzenlaststrom verbraucht wird).
• 1999 Nov.: Umstellung auf regenerativen Strom. Durch eine kleine Investition in ein Windkraftwerk erzeuge ich ab sofort als 'Windmueller' im statistischen Mittel mindestens 20000 kWh Windstrom pro Jahr. Beziehen muss ich zwar weiterhin von dem lokalen Versorger, aber es kommt ja auf die Gesamtbilanz an.

Geplante oder noch nicht abgeschlossene Arbeiten:

• 200?: Verbesserung der Rohr-Isolierung, jetzt geht besonders bei der ueber viele Winkel und Absperrhaehne laufenden Nachheizung noch zu viel ueber 'Waermeloecher' verloren, das muss besser 'eingepackt' werden.
• wenn ich mal nichts besseres mehr zu tun habe:
• temperaturgefuehrte Steuerung der Heizungs-Umwaelzpumpe, zusaetzlich hinter der jetzt arbeitenden Zeitschaltuhr.
• Demontage der Heizkoerper in Flur und Kueche (wurden noch nie benutzt).

Mittlerweile angeschlossene Verbraucher (Warmwasser und Heizung):

• 4 Waschbecken
• 2 Badewannen
• 2 Duschen
• 1 Kuechenspuelbecken
• 1 Spuelmaschine
• 2 Waschmaschinen
• 6 Heizkoerper

Eingesetzte Mess- und Auswerttechnik (Vertrauen ist gut, ...):

• Warmwasserzaehler 1/2"
• Stromzwischenzaehler 220V 10(16)A
• Betriebsstundenzaehler an Umwaelzpumpe
• Digitalthermometer mit Min/Max-Speicher
• digitaler Waermemengenzaehler im Heizkreis
• DBase IV-Scripte zur Daten-Auswertung
• AOLPress als HTML-Editor
• WSFTP zum Upload ins WWW

Betriebsdaten eines Referenztages:

(Extrakt aus Jahresmittelwerten)

• Warmwasserverbrauch: 260 l
• Warmwassertemperatur: 45 Grad
• Kaltwassertemperatur: 12 Grad

Lufttemperatur im WP-Raum:

• 15 Grad nach 3 Std. WP-Betrieb
• 19 Grad nach 3 Std. WP-Pause

Waermeumsatz:

• Warmwasserwaermebedarf: 10 kWh (mit Bereitschaftsverlust)
(davon 20% 6-12 Uhr, 30% 12-18 Uhr, 60% 18-24 Uhr)
• Heizwaermebedarf: 12 kWh
(davon 60% 6-12 Uhr, 40% 16-22 Uhr)

Waermepumpenbetrieb: etwa 10 Std. pro Tag (ca. 40% ED)

(Schalt-Zyklen etwa 7-11, 13-14, 17-21 Uhr)

Waermebilanz:

Gesamtwaermeumsatz: 22 kWh

Quellen:

• Strom: 5 kWh
• Abwaerme von Waschmaschine+Trockner: 3 kWh
• Abwaerme aus Abwasser: 2 kWh
• Waermeverlust des Warmwasserspeichers: 1 kWh
• Waermeleitung aus Nebenraeumen: 7 kWh
• 'Deckungsluecke' aus Gas-Zentralheizung: 4 kWh

Umweltbilanz:

Primaerenergiebedarf:

• Strom: 13 kWh (5 kWh / 38% Kraftwerkwirkungsgrad)
• Heizung: 6 kWh (4 kWh Heizwaerme / 64% Wirkungsgrad Brenner->Wohnung)
• Summe: 19 kWh/d

CO₂-Emissionen:

• Strom: 3,10 kg (5 kWh Strom * 0,62 kg/kWh)
• Heizung: 1,62 kg (6 kWh Gas * 0,27 kg/kWh)
• Summe: 4,72 kg/d

Vergleich zum System der Nachbarn bei gleichem Verbrauch:

Primaerenergiebedarf:

• Heizung: 19 kWh (12 kWh Heizwaerme / 64% Wirkungsgrad Brenner->Wohnung)
• Strom: 24 kWh (9 kWh / 38% Kraftwerkwirkungsgrad)
• Summe: 43 kWh/d

CO₂-Emissionen:

• Heizung: 5,13 kg (19 kWh Gas * 0,27 kg/kWh)
• Warmwasser: 5,58 kg (9 kWh Strom * 0,62 kg/kWh)
• Summe: 10,71 kg/d

laufende Kosten:

• Strom: 1,05 DM/Tag (2,5 kWh a 0,14 DM+ 2,5 kWh a 0,28 DM)
• Nachheizung: 0,32 DM/Tag (4 kWh a 0,08 DM gem. Umlagerechnung)
• Summe: 1,37 DM/d

Vergleich zum konventionellen System der Nachbarn:

• Warmwasser: 2,16 DM/Tag (9 kWh a 24 Pf.)
• Heizung: 0,96 DM/Tag (12 kWh a 0,08 DM gem. Umlagerechnung)
• Summe: 3,12 DM/d

Gesamtersparnis gegenueber Standardloesung des Bautraegers:

• ca. 1,75 DM pro Tag weniger Energie-Kosten
• ca. 24 kWh pro Tag weniger Einsatz an Primaerenergie
• ca. 6 kg pro Tag weniger CO₂-Emissionen

Dies entspricht einer Reduktion der CO₂-Emission von 56% (in Worten sechsundfünfzig Prozent) gegenüber der Situation im Jahr 1990; damit glaube ich, meine Hausaufgaben bezüglich des Zieles der Bundesregierung gemacht zu haben (*) (25% weniger bis zum Jahr 2005); und das schon seit 1991!.

(*) - Auch wenn noch mehr moeglich gewesen waere, siehe "Solaranlage, nein danke!"

• Wärmepumpen-Grundlagen Teil 1
• Wärmepumpen-Grundlagen Teil 2
• einige Musteranlagen in der Schweiz
• Informationszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik
• Eine neue Idee: Wasser-Eis-Speicher
• IEA Heat Pump Centre
• Noch mehr Grundlagen und Beispiele

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updated: 2000/10/19

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