Optimierungen der Wärmepumpe

Optimierungen der Wärmepumpenanlage gegenüber der Standardofferte bzw. Standardeinstellungen.

Bei der Planung/Ausführung

• Exakt dimensionierte Hocheffizienzpumpe statt Standardpumpe als Solepumpe: Verbrauch 110 W statt 330 W. Ersparnis: 400-500 kWh/Jahr. Die Pumpe wurde mit dem Programm EwsDruck ausgelegt.
• Geregelte Hocheffizienzpumpe statt Standardpumpe als Heizkreispumpe: Verbrauch 9-30 W statt 60 W. Ersparnis: 200 kWh/Jahr
• Auf Hocheffizienzpumpen als Puffer- und Wassererwärmer-Ladepumpe wurde verzichtet. Einsparung wäre wegen der geringen Laufzeit nur 60 kWh/Jahr gewesen. Der höhere Preis der Pumpen hätte sich nicht gerechtfertigt. Eine Regelung ist hier zudem nicht nötig, da die Pumpen nur laufen wenn die Wärmepumpe auch läuft und dann vollen Durchfluss garantieren müssen.
• Wärmepumpen mit guter Arbeitszahl (> 4.6 bei B0W35) im benötigten Leistungsbereich wurden berücksichtigt.
• Es wurde diskutiert die Wärmepumpe eine Nummer kleiner zu wählen als offeriert. Da die Pumpe schon bestellt war und Ängste bestanden es könnte doch nicht reichen wenn auch mal höhere Raumtemperaturen benötigt werden, wurde darauf verzichtet. Abschliessend betrachtet hätte aber das kleinere Modell gereicht (wegen den höheren Soletemperaturen als ursprünglich erwartet).
• Eine tiefe Sonde zu 230 m anstatt 2 kurze zu je 115 m, dadurch 3 K höhere Soletemperatur. Sonde läuft im turbulenten Bereich statt im laminaren, so verbessert sich der Wärmeübergang des Fluids auf das Sondenrohr. 7% bessere Effektivität der Wärmepumpe, ca. 500 kWh/a weniger Verbrauch. Dafür stärkere Solepumpe nötig, 110 W statt 30 W, Mehrverbrauch 60 kWh/a, Ersparnis gesamt: ca. 450 kWh/a.

Beim Betrieb

• Reduktion Temperaturüberhöhung Pufferspeicher
  Standardmässig war in der Regelung eine Temperaturüberhöhung im Pufferspeicher von 5 K eingestellt. D.h. der Temperatursollwert des Puffers lag 5 K höher als der des Heizkreises und der Mischer mischte den Heizkreisvorlauf entsprechend runter. Dies führt zu höheren Vorlauftemperaturen der Wärmepumpe als nötig, was die Arbeitszahl und damit die Effektivität der Anlage verschlechtert. 1 K höhere Vorlauftemperatur führt zu 1.8 % Mehrverbrauch. Gegen Ende eines Zyklus fuhr das Mischventil sogar fast ganz zu. Der Puffer wurde überladen, d.h. warmes Vorlaufwasser aus dem Puffer gelang in den Rücklauf der Wärmepumpe und hob dessen Temperatur um mehrere K an bis die Wärmepumpe schliesslich ausschaltete.
  Durch Reduktion dieser Überhöhung lässt sich die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe allerdings nicht um 5 K senken wie man auf den ersten Blick erwarten könnte. Erste Testergebnisse lassen nur auf eine Verbesserung von rund 2 K schliessen. Mehrere Effekte, die sich teilweise gegenseitig aufheben, müssen berücksichtigt werden. Diese 2 K führen aber schon zu einem Minderverbrauch von 3-4 % was ca. 200-300 kWh/a entspricht.
  Eine Pufferüberhöhung ist bei einer konventionellen Heizung eine gute Sache, der Puffer wird besser ausgenutzt und die Vorlauftemperatur ist konstanter. Bei einer Wärmepumpe führt dies jedoch zu einem Mehrverbrauch und sollte vermieden werden.
  Details zu der Berechnung und Messung finden Sie unter Temperaturüberhöhung Puffer.
  
• Warmwasserbereitung
  Die Warmwasserbereitung wird so gesteuert, dass der Wassererwärmer vor einem Ladevorgang maximal auskühlt. Zudem soll die Warmwasserbereitung nachts erfolgen um den Niedertarif auszunutzen und weil dann eine Unterbrechung im Heizbetrieb nicht gemerkt wird. Da der Wassererwärmer überdimensioniert ist (um genügend Tauscherfläche zu haben) wird er nur alle 2 Tage geladen, jeweils am Di, Do, Sa und So zwischen 0300 und 0400. Wegen der mässigen Isolierung und der Wärmeleitung im Wasser kühlt die obere Schicht im Speicher so stark ab, dass nach 2 Tagen ein Nachladen nötig ist, selbst wenn kein Wasser entnommen wird. So kann der Speicher nicht optimal entladen werden. Eine Verbesserung gegenüber ständigem Nachladen kann jedoch festgestellt werden.
  Den Sachverhalt demonstrieren die folgenden zwei Grafiken. Die Temperaturen des Vor- und Rücklaufs der Wärmepumpe und die Temperaturen auf 3 verschiedenen Höhen des Wassererwärmers sind eingezeichnet.
  
  Grafik 1: Wird der untere Teil des Speichers so gut wie möglich ausgekühlt, resultieren tiefere Ladetemperaturen...
  
  ... als beim permanenten Nachladen.
  
  Bei selber Ausschalttemperatur des Wassererwärmers resultiert im ersten Fall, dem auskühlen lassen, eine durchschnittliche Ladetemperatur von 54°C und im zweiten Fall, dem permanenten Nachladen, beträgt sie 57 °C. Die Arbeitszahl wird gemäss Messungen um ca. 20 % verbessert. Dieser Wert ist höher als es der reine Unterschied der Durchschnittstemperaturen erwarten liesse (6 %). Dies liegt daran, dass die Leistung der Wärmepumpe bei tieferen Vorlauftemperaturen höher ist, diese also stärkeren Einfluss haben innerhalb eines Ladevorgangs.
  Die mittleren Zapftemperaturen liegen im ersten Fall bei 51 °C und im zweiten bei 52.5 °C. Nimmt man diese als Soll-Referenz könnte die Soll-Temperatur beim permanenten Nachladen um 1.5 K gesenkt werden was eine Verbesserung von 3 % der Arbeitszahl gegenüber vorher bewirkt. Das ist aber kleiner als die 20% gegenüber dem Auskühlen lassen.
  Betrachtet man die tiefste Zapftemperatur würden in beiden Fällen gleiche mittlere Ladetemperaturen resultieren. Die tiefste Zapftemperatur liegt im ersten Fall 3 K tiefer als im zweiten, die Solltemperatur könnte also im zweiten Fall bei permanentem Nachladen auch um 3 K gesenkt werden mit 3 K tieferen Ladetemperaturen. Damit wäre bei den Ladetemperaturen Gleichstand erreicht. Die Arbeitszahl würde beim permanenten Betrieb aber nur 6 % steigen (gleichmässige Senkung über den ganzen Ladevorgang). Es bleibt also noch ein Vorteil von 14 % zu Gunsten des auskühlen lassens. Da die tiefste Zapftemperatur erst in der Nacht erreicht wird, und damit irrelevant ist (relevant ist die Temperatur um ca. 19h für den letzten Abwasch) wird diese nicht als Referenz genommen.
  Die durchschnittliche Temperatur des Wassererwärmers ist im ersten Fall tiefer, so dass auch weniger Verluste entstehen was ein weiterer Vorteil zu Gunsten des Auskühlen lassen ist.
  Bei besserer Schichtung und damit besserem Auskühlen des unteren Bereichs und stabilerer Temperatur im oberen Bereich, wäre ein noch deutlicherer Vorteil zu erkennen.
  Die 20 % Arbeitszahlverbesserung bei der Warmwasserbereitung entsprechen einer jährlichen Einsparung von rund 120 kWh.
   
• Nachtabschaltung
  Bis am 17.12.2007 wurde die Heizung mit Nachtabschaltung betrieben. Der Heizbetrieb startete jeweils um 0430 und endete um 1930, wobei der Kompressor nach 1800 nicht mehr startete (EVU Abschaltung bis 2000). Die Heizkurve lag bei 1.05 was einer Soll-Vorlauftemperatur von 45 °C bei 0 °C Aussentemperatur entspricht. Die durchschnittliche Vorlauftemperatur lag jedoch tiefer, da die Heizung am Morgen mit einem Vorlauf von 30 °C startete und bis zu einigen Stunden brauchte um den gewünschten Vorlauf zu erreichen.
  Ab dem 18.12.2007 wurde die Wärmepumpe auf Dauerbetrieb umgestellt, ohne Nachtabsenkung. Die Heizkurve konnte auf 0.8 reduziert werden, was einer Soll-Vorlauftemperatur von 40 °C bei 0 °C Aussentemperatur entspricht.
  Der Wärmebedarf des Hauses nimmt ohne Abschaltung zu, da die Raumtemperatur nachts ungefähr 1 K höher liegt als ohne Abschaltung (bei durchschnittlichen Aussentemperaturen um -3 °C). Durch die geringere Heizkurve verbessert sich jedoch die Arbeitszahl. Die Frage ist nun ob die Verbesserung der Arbeitszahl den höheren Wärmebedarf aufwiegen kann. 
  Eine konkrete Auswertung mit Zahlen folgt.
   
• Leistung Solepumpe
  Berechnung
  Die Solepumpe ist eine geregelte Pumpe. Dadurch kann deren Durchfluss stufenlos eingestellt werden. Das öffnet das Feld für weitere Optimierungen. Durch Drosselung der Durchflussmenge kann die Aufnahmeleistung der Pumpe reduziert werden. Dadurch steigt die Spreizung im Solekreis. Das führt zu geringerer Verdampfungstemperatur im Verdampfer der Wärmepumpe und damit zu steigendem Verbrauch. 1 K höhere Spreizung führt etwa zu 0.5 K tieferer Verdampfertemperatur (sofern die Spreizung nicht zu stark erhöht wird). Die Vorlauftemperatur der Sole steigt mit höherer Spreizung etwas an (im Zehntelbereich für 1K Spreizungsänderung). Dies wurde in der Berechnung nicht berücksichtigt, da dies mit wenig Aufwand nicht korrekt berechenbar ist und der Einfluss nur gering ist. Zudem wirkt sich dieser Effekt erst nach einem Umlauf der Sole aus. Die Zunahme des Verbrauchs der Wärmepumpe kann näherungsweise als linear mit der Spreizung angenommen werden. Der Verbrauch der Solepumpe sinkt ungefähr exponentiell mit der Spreizung. Gesucht ist nun die Spreizung mit minimalem Verbrauch.
  Die Pumpenaufnahmeleistung wurde für verschiedene Soletemperaturen und Spreizungen mit dem Programm EwsDruck berechnet. Grafik 3 zeigt die elektrische Aufnahmeleistung der Solepumpe addiert mit dem Mehrverbrauch der Wärmepumpe gegenüber der Nenn-Solespreizung von 3 K, in Abhängigkeit der Solespreizung. Die angezeigte Leistung bei einer Solespreizung von 3 K entspricht also genau der Pumpenleistung. Es wurden verschiedene Kurven für verschiedene Soletemperaturen (andere Viskosität und damit anderer Durchflusswiderstand) berechnet.
  
  Grafik 3: Verbrauch Solepumpe + Mehrverbrauch Wärmepumpe gegenüber 3 K Spreizung für verschiedene Sole-Vorlauftemperaturen bei W35 in Abhängigkeit der Spreizung über der Wärmequelle.
  
  Mit zunehmender Soletemperatur verschieben sich die Leistungskurven hin zu höherer Leistung. Das liegt daran, dass bei steigender Soletemperatur auch die Leistung und Arbeitszahl und damit die Kälteleistung der Wärmepumpe zunimmt. Dies führt zu einem höheren nötigen Durchfluss für die gleiche Spreizung. Damit verschiebt sich auch der Punkt der optimalen Spreizung mit steigender Soletemperatur zu höheren Spreizungen. Dieser Verlauf ist näherungsweise im betrachteten Intervall linear für gegebene Vorlauftemperatur. Steigt die Vorlauftemperatur an, sinkt die Kälteleistung und damit verschieben sich die Kurven gegen kleinere Spreizungen.
  Ein optimaler Betriebspunkt kann bei der Solepumpe nicht eingestellt werden, da dieser von Soletemperatur und Vorlauftemperatur abhängt. Der Durchfluss in den optimalen Betriebspunkten liegt zwischen 2.3 und 2.5 m³/h, der zugehörige Druckverlust bei 4.7 bis 5.1 m für B6 bis B10. Der Einfachheit halber könnte ein Kompromiss eingegangen werden, so dass die Solepumpe bei einem Konstantdruck von 490 mBar regelt. Dieser wäre nach dieser Berechnung für die meisten Vorlauftemperaturen nahe am Idealfall.
  Messung
  Am 7.6.08 wurde ein erster Versuch gefahren mit reduzierter Drehzahl der Solepumpe während der Warmwasserbereitung um die Berechnungen zu überprüfen. Grafik 4 zeigt den Temperaturverlauf von Sole Vor- und Rücklauf und Verdampfungstemperatur verglichen mit dem 5.6.08 (gestrichelte Kurven) als die Solepumpe bei voller Drehzahl lief. Die Sole Vorlauftemperatur ist an beiden Tagen ungefähr gleich, abgesehen von einer zeitlichen Verzögerung des Verlaufs durch die geringere Durchlaufgeschwindigkeit. Die Spreizung liegt bei geringerem Durchfluss um 0.5 K höher (4.5 statt 4.0 K). Der Durchfluss reduziert sich von 2.9 auf 2.6 m³/h (11 %). Da die Leistungsaufnahme der Solepumpe nicht direkt gemessen werden kann muss diese berechnet werden. Der Arbeitspunkt der Solepumpe kann mit dem Programm EWSDruck bestimmt werden. Der Druckverlust reduziert sich gemäss Berechnung von 7.0 m auf 5.7 m. Die berechneten 7.0 m sind genau die maximale Förderhöhe der Pumpe, die Berechnung kann also als relativ exakt angesehen werden. Die Leistungsaufnahme der Solepumpe liegt beim reduzierten Durchfluss 35 W tiefer als bei voller Leistung. Die Verdampfungstemperatur sinkt durch die grössere Spreizung um 0.5 K und dadurch sinkt die Wärmeleistung der Wärmepumpe. Die Leistungsaufnahme sinkt um 4 W. Die Arbeitszahl sinkt um 1.2% gemäss Datenblatt. Die gemessene Arbeitszahl kann für diese Betrachtung nicht herangezogen werden, da die Vorlauftemperatur zu stark verschieden ist zwischen den beiden Durchläufen. Die geringere Arbeitszahl entspricht umgerechnet einer um 40 W höheren Leistungsaufnahme des Verdichters. Inklusive Solepumpe steigt die Leistungsaufnahme der Anlage um ca. 5 W beim geringeren Durchfluss.
  
  Grafik 4: Temperaturen Sole Vor- und Rücklauf und Verdampfung bei maximalem Durchfluss der Solepumpe (gestrichelte Linie) und um 11% reduziertem Durchfluss (ausgezogene Linie) bei der Warmwasserbereitung
  
  Interpretation
  Entgegen der Annahme sinkt die Verdampfungstemperatur nicht mit dem Mittel der Soletemperatur sondern mit der Rücklauftemperatur. Dies liegt daran, dass die Verdampfungstemperatur schon bei maximalem Durchfluss relativ nahe an der Sole Rücklauftemperatur lag und nicht höher sein kann als die Rücklauftemperatur. Vermutlich wird um gleiche mittlere Temperaturdifferenz zwischen den Medien im Wärmetauscher zu erhalten, weniger Volumen im Verdampfer zur Verdampfung benötigt. Die Arbeitszahl der Wärmepumpe sinkt stärker als berechnet. Bei höherer Kälteleistung oder geringerer Spreizung sollte hingegen das erwartete Verhalten auftreten. Führt man die Berechnung mit diesen Erkenntnissen erneut durch, gibt sich das Optimum für B12W45 gerade bei maximaler Drehzahl der Solepumpe. Eine grössere Solepumpe würde hingegen wieder zu einem Mehrverbrauch führen. Für geringere Soletemperaturen wäre ein etwas kleinerer Durchfluss hingegen wieder vorteilhafter. Die Solepumpe ist also ziemlich optimal ausgelegt, eine weitere Optimierung fast nicht mehr möglich. Das Optimierungspotential bewegt sich nur noch im Bereich < 1% gegenüber den 7% die bei der exakten Auslegung und Wahl der Energiespar-Solepumpe erreicht wurden.
  Noch nicht getestet werden konnte das Langzeitverhalten der Soletemperatur (mehrere Umläufe). Die These, dass die Sole Vorlauftemperatur bei grösserer Spreizung höher bleibt nach einem ganzen Umlauf der Sole konnte wegen der nur kurzen Laufzeit während der Warmwasserbereitung nicht überprüft werden. Sollte sich diese These bestätigen, dann spräche dies wieder für etwas höhere Spreizung als Optimum.
  Abschliessend kann gesagt werden, dass eine Spreizung von rund 4 K nahe beim Optimum liegt für diese Erdsonde. Bei anderen Anlagen die geringeren Druckverlust in den Sonden aufweisen (mehrere kurze) ist eine kleinere Spreizung vorteilhafter. Dies muss für jede Konfiguration berechnet werden.
  Das Optimieren der Spreizung schlägt bei Standardpumpen aufgrund deren viel höheren Verbrauchs stärker zu Buche. Macht man die genaue Berechnung, kann meist mit etwas höherer Spreizung gefahren werden als vom Hersteller vorgegeben, so dass auch eine kleinere Pumpe ausreicht was auch den Geldbeutel schont. Das sollte aber mit dem Hersteller besprochen werden. Leider wird aber oft genau das Gegenteil gemacht und eine viel zu grosse Pumpe eingebaut wie die FAWA Studie zeigt. Die gewonnenen Erkenntnisse können bei der genauen Dimensionierung von Solepumpen und zeigen, dass in manchen Fällen das energetische Optimum bei höheren Solespreizungen liegt als die üblichen 2-3 K.
  Nicht beachtet ist ein allfällig schlechterer Wärmeübergang im Verdampfer der Wärmepumpe bei sinkender Strömung, was den Verbrauch der Wärmepumpe zusätzlich erhöhen könnte bei höherer Spreizung. Für die 230 m Sonde bleibt die Strömung in der Erdsonde stets turbulent für die berechneten Spreizungen und positive Soletemperaturen.

Gesamthaft bewirken diese Optimierungen eine Einsparung von etwa 1'500 kWh/Jahr, was gut 20 % des voraussichtlichen Verbrauchs entspricht.
Die Optimierung der Heizkurve ist ein Standardverfahren und wird daher hier nicht berücksichtigt. Das wurde aber selbstverständlich gemacht. Eine zu hohe Heizkurve kann etliche Prozent Mehrverbrauch bedeuten.