Ausgabe 15 - Optimierung von Wärmepumpen - Teil 3
Mach es selbst, weil es sonst niemand macht.
In diesem dritten und letzten Teil der Reihe zur Optimierung von Wärmepumpen möchte ich nun auf die Optimierung der Warmwasserbereitstellung einer Wärmepumpe und den Faktor Zeit bzw. Außentemperatur eingehen.
Als Grundlage für diese Ausgabe sollten Sie die beiden vorgehenden Folgen dieser Reihe gelesen haben, Ausgabe 13 und Ausgabe 14.
Auch in dieser Ausgabe werde ich mich insbesondere auf die Optimierung von Luft-Wasser-Wärmepumpen konzentrieren. Teilweise sind die Erkenntnisse auch auf Luft-Luft- und auf Wasser-Wasser-Wärmepumpen übertragbar.
Vorab möchte ich auch erwähnen, dass die verschiedenen Hersteller eventuell unterschiedliche Fachausdrücke für die hier genannten Parameter verwenden. Die Wortwahl im Benutzerhandbuch Ihrer Wärmepumpe mag deshalb eventuell eine andere sein, als die von mir verwendete.
Der Einfluss der Außentemperatur.
Wie in den vorherigen Ausgaben erläutert, schöpft einen Wärmepumpe Wärme aus der Umgebung und hebt sie auf ein höheres Temperaturniveau, wo wir sie dann zur Heizung unseres Hauses oder zum Duschen verwenden können. Je höher die Differenz zwischen dem Temperaturniveau der Umgebung und der Temperatur im Haus, desto mehr Energie muss die Wärmepumpe für diesen Vorgang aufwenden.
Deshalb gilt der wichtigste Grundsatz für jede Optimierung: Temperaturdifferenz minimieren, wo immer es geht!
Nun können wir die Außentemperatur nicht beeinflussen. Sie ist aber keineswegs konstant, sondern variiert ständig, auch innerhalb eines Tages.
Obige Grafik zeigt den gemessenen Verlauf der Außentemperatur auf der Nordseite meines Hauses. Der Tag war nicht besonders kalt, aber der Verlauf ist typisch und tritt so ähnlich auch bei deutlich niedrigeren Temperaturen auf.
Die wichtigste Erkenntnis dieser Grafik ist, dass die Außentemperatur in der Regel am Nachmittag am höchsten ist und frühmorgens am niedrigsten. Daraus ergeben sich wichtige Handlungsempfehlungen für die Optimierung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe:
Eine klassische Nachtabsenkung, mit Aufheizen zB um 6:00 Uhr morgens ist kontraproduktiv, da der Aufheizvorgang in die kälteste Zeit des Tages fällt und damit bei einer ungünstigen Arbeitszahl stattfindet. Eine Nachtabsenkung ist deshalb nicht zu empfehlen. Falls Sie es trotzdem machen möchten, sollte das Aufheizen am Morgen frühestens um 10:00 Uhr stattfinden, besser noch später.
Unvermeidbare Vorgänge wie die Erhitzung des Warmwassers (z.B. für die Dusche) sollten zeitlich in den Nachmittag gelegt werden, wenn die Außentemperatur am höchsten ist. Wer z.B. früh morgens duscht, sollte unbedingt verhindern, dass unmittelbar danach das Warmwasser erneut aufgeheizt wird, weil das der denkbar ungünstigste Zeitpunkt ist.
Flächenheizungen mit einer hohen Wärmekapazität kann man zudem am Nachmittag etwas höher Heizen um Wärme für die Nacht zu speichern.
Theoretisch wäre es denkbar diese Steuerung mittels einer Vorhersage der Tagestemperatur zu optimieren. Die meisten Wärmepumpen verfügen jedoch nur über einfache Zeitprogramme. Nutzen Sie deshalb die Tageszeit ersatzweise anstatt einer Temperaturvorhersage. Das ist hinreichend, es ist einfach und es sollte robust funktionieren.
Die Effizienz von Grundwasser- oder Erdwärmepumpen ist nicht von der Tageszeit abhängig, da sich die Temperatur ihrer Wärmequelle im Tagesablauf nicht ändert. Für Besitzer so einer Grundwasser- oder Erdwärmepumpe ist dieses Kapitel deshalb nicht relevant.
Falls Sie eine Photovoltaik-Anlage besitzen, kommt noch hinzu, dass eine nach Süden ausgerichtete Anlage gegen Mittag die höchste Leistung erzielt, die Sie für den Eigenbedarf der Wärmepumpe nutzen sollten. Je nach Ausrichtung der PV-Anlage kann Spitzenleistung zu unterschiedlichen Zeiten auftreten. Beobachten Sie die Leistung Ihre PV-Anlage und wählen Sie einen Kompromiss für den Zeitpunkt des Aufheizens des Warmwassers zwischen der Erzeugungsspitze der PV-Anlage und den wärmsten Stunden des Tages. In meinem Fall (PV mit Süd-Ausrichtung) hat sich 13:00 Uhr als guter Kompromiss erwiesen.
Die Warmwasser-Funktion.
Warmwasser ist das, was aus dem Wasserhahn kommt - eine banale, aber wichtige Feststellung. Es ist immer ein vom Heizkreis getrennter Kreislauf. Das Warmwasser wird nicht mit dem Heizungswasser vermischt.
Es gibt Luft-Luft-Wärmepumpen, die von Ausnahmen abgesehen, kein Warmwasser erhitzen können. Es gibt auch reine Warmwasser-Wärmepumpen, die ausschließlich Warmwasser erhitzen können. In diesem Text beziehe ich auf den am weitesten Verbreiteten Fall einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, die beides können muss: das Haus heizen und warmes Wasser für Wasserhahn, Dusche, Badewanne, etc. erhitzen.
Zunächst ist wichtig zu verstehen, dass für die Bereitstellung von Warmwasser mittels einer Wärmepumpe immer ein Warmwasserspeicher nötig ist. Eine Wärmepumpe ist nicht in der Lage kurzfristig eine so hohe Wärmeleistung abzugeben, wie wir sie z.B. für eine heiße Dusche benötigen. Deshalb ist es zwingend erforderlich, dass Warmwasser vorab aufgeheizt und in einem Speicher warmgehalten wird, der das warme Wasser dann sehr schnell abgeben kann, wenn wir in der Dusche den Wasserhahn aufdrehen.
Die zwei gängigen Bauformen des Warmwasserspeichers sind nachfolgend dargestellt.
Auf Sonderfälle wie die Einbindung von Solarthermie oder eines Kaminofens mit Wassertasche möchte ich hier ebenso wenig eingehen, wie auf Schichtspeicher als Kombination für Warmwasser und Heizung.
Stattdessen möchte ich mich auf die zwei gängigen Grundformen des Wasserspeichers konzentrieren:
Der klassische Warmwasserspeicher. Er wird mit kaltem Frischwasser gefüllt, das wird von der Wärmepumpe erhitzt und verbleibt im Speicher, bis jemand den Wasserhahn aufdreht. Da sich Legionellen in warmem Wasser vermehren können und mit einer Infektion nicht zu spaßen ist, möchte ich hier ausdrücklich auf die Angaben des jeweiligen Herstellers, Ihres Installateurs und Ihres lokalen Wasserversorger verweisen, die empfohlene Mindesttemperaturen nennen können.
Klassische Warmwasserspeicher müssen in regelmäßigen Abständen auf eine höhere Temperatur erhitzt werden, um die Ausbreitung von Legionellen zu verhindern. Meistens wird das “Hygiene-Programm” genannt. Falls der Zeitpunkt für das Hygiene-Programm programmierbar ist, sollten Sie wie im obigen Kapitel beschrieben vorgehen und es auf den Nachmittag legen.In einer Frischwasserstation befindet sich Speicherwasser, welches selten oder nie gewechselt wird. Es dient nur als Speicher und kommt weder mit dem Frischwasser noch mit dem Wasser des Heizkreises in Berührung. Das Speicherwasser wird von der Wärmepumpe erhitzt. Öffnet man nun den Wasserhahn, fließt frisches und kaltes Wasser aus der Wasserleitung durch die Frischwasserstation. Beim Durchlauf durch den Wärmetauscher gibt das Speicherwasser seine Wärme an das kalte Frischwasser ab und erwärmt es.
Der große Vorteil einer Frischwasserstation ist, dass warmes Wasser nicht für längere Zeit gespeichert wird. Es wird immer frisch erhitzt unmittelbar, bevor es benötigt wird. Deshalb hat eine Frischwasserstation kein Problem mit Legionellen, man kann sie mit niedrigeren Temperaturen betreiben, es wird kein Hygiene-Programm benötigt. Wie in diesem Blog immer wieder beschrieben: niedrige Temperaturen bedeuten höhere Effizienz der Wärmepumpe! Eine Frischwasserstation ist im Betrieb also effizienter als ein klassischer Wasserspeicher. Welche Temperatur Sie wählen, hängt von Ihren Verbrauchsgewohnheiten, der Anzahl der Personen im Haushalt und der Speichergröße ab. Ein typischer Wert ist 48°C als maximaler Temperatur des Speicherwassers.
Für beide Bauformen gilt der im obigen Kapitel beschriebene Zusammenhang mit der Außentemperatur bzw. der Tageszeit. Falls es Ihre Wärmepumpe zulässt, programmieren sie für beide Bauformen einen Zeitpunkt zum Aufheizen am Nachmittag.
Die Warmwasser-Hysterese.
Der Warmwasserspeicher wird nicht kontinuierlich beheizt, sondern dann, wenn die Wärmepumpe entscheidet einen Heizvorgang zu starten. Für diese Entscheidung gibt es zwei grundlegenden Kriterien: Temperatur des Warmwasserspeichers und Zeit.
Eine Entscheidung nach der Temperatur bedeutet, dass die Wärmepumpe den Warmwasserspeicher erst dann auf eine vorgegebene Ziel-Temperatur aufheizt, wenn die Temperatur unter eine bestimmte Schwelle gefallen ist. Man nennt diese Steuerung auch Warmhalteprogramm. Die Differenz zwischen unterer Schwelle und Ziel-Temperatur ist die Warmwasser-Hysterese.
Der Vorteil dieser Art von Steuerung ist, dass immer eine Mindesttemperatur gewährleistet wird. Der Nachteil ist jedoch, dass der Aufheizvorgang in eine ungünstige Tageszeit mit niedrigen Temperaturen fallen kann.
Die zweite Art der Steuerung ist ein Zeitprogramm. Das Aufheizen des Warmwassers findet immer zu einer bestimmten Uhrzeit statt. Der Vorteil: Sie können den Zeitpunkt wählen und in die wärmeren Nachmittagsstunden legen. Der Nachteil: die Temperatur des Warmwassers ist nicht nach unten begrenzt. Sollte Ihr Verbrauch mal unvorhergesehen hoch sein, geht Ihnen das warme Wasser aus.
Im Idealfall unterstützt Ihre Wärmepumpe eine Kombination aus beiden Programmen. Aufheizen nach Zeit, aber trotzdem eine untere Begrenzung der Warmwassertemperatur falls es doch mal nötig wird.
Um dieses Verhalten zu verdeutlichen, habe ich die gemessene Warmwasser-Temperatur in meinem Haus (Frischwasserstation) im Lauf eines Tages mit einigen Erläuterungen visualisiert.
Wie man in der obigen Grafik erkennen kann, kommt es zu einem kontinuierlichen Wärmeverlust im Warmwasserspeicher. Das ist unvermeidbar, sollte aber durch eine gute Isolierung möglichst klein gehalten werden.
Wenn der Verbrauch hoch ist, z.B. weil jemand duscht, sinkt die Temperatur schnell ab. Wichtig hierbei: die morgendliche Dusche führt nicht dazu, dass die untere Temperaturschwelle unterschritten wird. Meine Wärmepumpe unterstützt die Kombination aus Warmhalte- und Zeitprogramm. Wie oben erläutert, sollte ein Aufheizen am frühen Morgen aber möglichst verhindert werden.
Um 13:00 greift dann das zeitgesteuerte Aufwärmen auf die Zieltemperatur. Welche Temperaturen in Ihrem Haus am besten geeignet sind, sollten Sie schrittweise ausprobieren. Es hängt von Speichergröße, Anzahl der Personen und deren Gewohnheiten ab. Bei einer Frischwasserstation kommt hinzu, dass im Winter das Frischwasser kälter ist und dem Speicherwasser mehr Wärme entzieht. Deshalb muss die Speichertemperatur im Winter eventuell höher sein.
Bei einer Frischwasserstationen sind Sie bei der Wahl der Temperaturen ansonsten frei. Solange Ihnen das Warmwasser nicht zu kalt wird, können Sie die Temperaturen frei wählen. Wie immer gilt: je niedriger die Temperatur, desto effizienter läuft die Wärmepumpe.
Bei klassischen Wasserspeichern gilt das oben gesagte bzgl. Legionellen-Gefahr: erfragen Sie die empfohlenen Temperaturen und die Notwendigkeiten für das Hygiene-Programm bei Ihrem Installateur oder Wasserversorger. Das begrenzt die Freiheit bzgl. Absenkung der Temperaturen.
Optimierung der Zirkulation.
Aus Komfortgründen besitzen viele Häuser Zirkulationsleitungen bzw. eine Zirkulationspumpe. Sinn dieser Installation ist es, warmes Wasser bis kurz vor den Wasserhahn zirkulieren zu lassen, um die Zeit zu verkürzen, bis nach dem Öffnen des Hahns warmes Wasser fließt.
In großen Wohngebäuden sind Zirklualtionsleitungen oft unausweichlich. Die Zeit, bis warmes Wasser aus dem Wasserhahn kommt, wäre sonst inakzeptabel lang.
Unglücklicherweise geht entlang der Zirkulationsleitung Wärme verloren. Im Bestfall gelangt die Wärme ins Haus und hilft somit beim Heizen. Das ist aber nicht immer und vollständig der Fall. Es geht deshalb Wärme verloren. In Häusern mit Fußbodenheizung kommt hinzu, dass die Temperatur des Warmwassers höher liegt als die Vorlauftemperatur des Heizkreises. Wir erinnern uns: hohe Temperaturen bedeuten schlechte Arbeitszahl der Wärmepumpe. Eine Zirkluationsleitung verliert also besonders teure erkaufte Wärme.
Neben einer guten Isolation der Zirklualtionsleitung, kann man mit einer intelligenten Steuerung der Zirkulationspumpe Energie sparen. Die Pumpe sollte nicht 24h am Tag laufen. Das ist unnötig und führt zu Energieverlusten.
Je nach Ausführung wird die Zirkulationspumpe von der Wärmepumpe gesteuert oder eine eine eigene Steuerung. Diese lässt sich häufig mittels eines Zeitprogramms programmieren. Programmieren Sie die Pumpe so, dass sie immer kurz vorher anläuft, wenn Sie warmes Wasser benötigen. Es gibt auch selbstlernende Steuerungen, die sich Ihren Gewohnheiten automatisch anpassen.
Findige Bastler können die Zirkulationspumpe auch mit einem (Funk-) Schalter verstehen. Wenn Sie den Taster drücken, läuft sie für einige Zeit. Mit modernen Smart-Home Systeme ist sowas leicht zu realisieren.
Bitte Vorsicht: Legen sie die Zirkulationspumpe niemals komplett lahm! Die Zirkulationsleitungen sind ein möglicher Ausbreitungsort für Legionellen und sollten mindestens einmal täglich gespült werden.
So viel zur Optimierung von Warmwasser.
Zusammenfassung
Zum Ende der dreiteiligen Serie zur Optimierung von Wärmepumpen, stellt sich natürlich die Frage welchen Nutzen man aus den beschriebenen Maßnahmen zur Optimierung ziehen kann. Exakte Zahlenwerte sind schwer zu ermitteln, weil die Außentemperaturen und die Verbrauchsgewohnheiten schwanken.
Die Auswertung früherer Jahre, z.B. hier, legen nahe, dass man mit den beschriebenen Methoden 15-20% Energie für Warmwasser und 10-15% für die Heizung sparen kann - ohne dass man dadurch irgendeinen Komfortverlust hinnehmen müsste. Falls Sie die Raumtemperatur zusätzlich absenken, können Sie natürlich noch mehr sparen.
Zum Abschluss nochmal die wichtigsten Punkte:
Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Raumtemperatur bzw. Warmwasser, desto effizienter läuft Ihre Wärmepumpe. Jedes Grad zählt!
Die Vorlauftemperatur wird durch die Heizkurve gesteuert. Sie sollte so flach und so niedrig wie möglich verlaufen. Gerade hoch genug, dass die gewünschte Raumtemperatur erreicht wird und kein Grad höher.
Nutzen Sie durch geschickte Wahl der Heizzeiten für Warmwasser die wärmsten Stunden des Tages. In diesen Stunden läuft Ihre Wärmepumpe effizienter.
Optimieren Sie in kleinen Schritten, tasten Sie sich langsam an die minimalen Temperaturen heran.
Machen Sie es selbst, weil es sonst niemand macht.
Viel Erfolg bei der Optimierung Ihrer Wärmepumpe!
Wie immer sind Kommentare willkommen, gerne öffentlich unter diesem Blogeintrag oder direkt per Email.
Mit sonnigen Grüßen,
Andreas Winckler