Pilotanlagen & Betrieb

[Darstellung Jahresbericht 1999 als PDF-File]

Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe
Phase 3: Messungen an drei Funktionsmustern, Vergleich verschiedener Heiz- und Regelkonzepte

Während der Heizperiode 98/99 wurden für die Phase 3 des Projekts "Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe" drei Pilotanlagen in Niedrigenergiehäusern installiert.

  1. Erdwärmesonden-Wärmepumpe mit Beistellboiler in Grafstal (Kt. ZH)
  2. Luft-Wasser-Wärmepumpe und separate Abluft-Warmwasser-Wärmepumpe in Schötz (Kt. LU)
  3. Luft-Luft-Wärmepumpe ("Haustechnikmodul") mit Luft-Erdregister zum Heizen und zur Warmwassererzeugung in Fully (Kt. VS)

Bei der Anlage in Grafstal wurde eine gleichstrombetriebene Umwälzpumpe mit Synchronmotor verwendet, welche im Rahmen des BFE-Projekt "Felderprobung einer Stromspar-Kleinumwälzpumpe" ausgewertet wird.

Nach anfänglichen Problemen mit der Gleichstrom-Umwälzpumpe läuft die Anlage in Grafstal nun problemlos. Unter Berücksichtigung aller Hilfsaggregate wurde im letzten Winter mit kalter Witterung eine Jahresarbeitszahl von 3.6, ohne Sole- & Umwälzpumpe 4.6 erreicht. Die meiste Zeit der Messperiode wurde eine konventionelle Nassläufer-Kleinumwälzpumpe eingesetzt. Berücksichtigt man noch die Bereitschaftsverluste des Warmwasserspeichers ergibt sich für den WW-Betrieb eine Arbeitszahl von 2.8, eine beachtliche Steigerung gegenüber einem Elektroboiler, der je nach Warmwasserbezug einen Nutzungsgrad von 0.6 bis 0.7 aufweist. Dennoch ist eine Temperaturabnahme von 12 K pro Tag zu hoch. Durch zusätzliche Isolationsmassnahmen an Speicher, Armaturen und Leitungen könnten die Verluste vermindert werden. Auch die Raumluftqualität (CO2-Gehalt) lag trotz des einfachen Lüftungskonzepts mit einem zeitgesteuerten Abluftventilator im Bad die meiste Zeit unter 1500 ppm, was akzeptabel ist.

In Schötz konnte nach Abstellen zweier Heizkreise die Temperaturverteilung im Haus so eingestellt werden, dass die Temperaturen im Obergeschoss, wie von den Bauherren gewünscht, um einige Grad tiefer liegt. Ein grundsätzliches Problem aller Niedrigenergiehäuser ist der Umstand, dass sie bei Auslegung nach SIA 384/2 durch Auftriebseffekte in den oberen Geschossen wärmer sind. Da dies meist nicht erwünscht ist, sollte diesem Umstand in einer neuen SIA-Norm Rechnung getragen werden. Der durch die Abluft-Wärmepumpe gewährleistete gleichmässige Luftwechsel zeigt deutlich seine Wirkung; Der CO2-Gehalt liegt normalerweise bei rund 800 ppm. Die Arbeitszahl liegt allerdings nur bei 1.5 (inklusive Bereitschaftsverluste). Eine unzureichende Isolation des 200 l-Speichers, eine durch Absaugen im Trocknungsraum tiefe Quellentemperatur und der 24-Stundenbetrieb der Ventilatoren, welche auch bei Stillstand der WW-Wärmepumpe weiterlaufen, zeigen hier ihre Wirkung. Die WW-Wärmepumpe alleine erreicht eine Arbeitszahl von 2.6. Die Heizwärmepumpe erreichte eine Arbeitszahl von 2.8 mit bzw. 2.9 ohne Hifsaggregate. Die erforderliche Vorlauftemperatur des Heizsystems von max. 30C wurde meist überschritten, weil die Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur der monovalent ausgelegten Wärmepumpe 5 bis 10 K betrug, obwohl nur 2 bis 5 K erforderlich wären. Zur Reduktion müsste man den Massenstrom der Heizumwälzpumpe so hochfahren, dass deren Energieverbrauch übermässig ansteigen würde, wodurch der Gewinn im COP der Wärmepumpe schnell aufgehoben wäre.

Die letzten Wochen wurde in Schötz ein modellbasierter Regler eingesetzt, der nach Anpassung der Parameter problemlos funktionierte. Im Gegensatz zum Zweipunktregler arbeitet er nicht mit Sollwerten der Rücklauftemperatur, sondern verwendet ein Pulsweitenmodulationsverfahren, wo aus verschiedenen Messgrössen der aktuelle Energiebedarf ermittelt wird, mit dem die Lauf- und Stillstandszeiten der Wärmepumpe für jedes 4-Stundenintervall neu berechnet werden. Dieses Verfahren bietet auch im Hinblick eines Sperrzeiten-Managements interessante Optionen, was Gegenstand der Untersuchungen in der nächsten Heizperiode ist.

Die dritte Anlage in Fully funktionierte ebenfalls zufriedenstellend. Die Luft-Luft-Wärmepumpe erreichte einen mittleren COP von 2.0. Mit der Vorwärmung durch das Lufterdregister und die Rückwärmung durch den Wärmetauscher ergibt sich je nach Klimabedingungen eine Wochen-Arbeitszahl von bis zu 2.8, die Jahres-Arbeitszahl liegt bei ca. 2.3. Der Nutzungsgrad, in dem die Heizstäbe ebenfalls berücksichtigt sind, unterscheidet sich kaum von der Jahresarbeitszahl, da selten elektrisch geheizt wurde. Insgesamt war jedoch festzustellen, dass das HTM200 für das Haus in Fully zu klein dimenisoniert war. Auch die bis zu fünfzehn Enteisungsvorgänge pro Woche wirkten sich negativ auf die JAZ aus. Die Warmwassererzeugung funktionierte einwandfrei und der mittlere CO2-Gehalt von rund 800 ppm zeigte, dass die Wohnungslüftung ebenfalls einwandfrei lief. In unbenutzten Räumen unterschritt die relative Luftfeuchtigkeit 30%, was für einen angemessenen Wohnkomfort zu niedrig ist. Menschen und Pflanzen könnten hier leicht Abhilfe schaffen.

Das separate Grundlastmodul mit Direktkondensation funktionierte nicht zufriedenstellend. Die thermische Leistung hat sich fortlaufend verschlechtert und der mittlere Nutzungsgrad von 1.1 legt den Schluss nahe, dass ein Grossteil des Kältemittels entwichen ist (Anm.: Es wurde zwischenzeitlich ersetzt).

Arbeiten und Ergebnisse 1999

Alle drei Pilotanlagen sind in Betrieb,
erste Messresultate sind enthalten im Darstellung Zwischenbericht [NTH3 99] als PDF-File .

a) Pilotanlage Grafstal: Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Beistellboiler

  1. Stand der Messungen

    Die Energieflüsse vom 30. November 1998 bis 26. September 1999 sind in Abb. 1 dargestellt. Die Energieflüsse sind MJ/m2 angegeben, wobei die fett gedruckten Werte Messwerte und die halbfetten Werte Berechnungen sind.

Abb. 1: Energieflussdiagramm Grafstal: Werte in MJ/m2 für eine elfmonatige Messperiode
(Anm.: fett = Messwert, halbfett = Abschätzung oder Berechnung)

  1. Erkenntnisse / Verbesserungen

    Luftqualität

    Der CO2-Gehalt im EG lag während ca. 14% der Messperiode über dem Richtwert von 1500 ppm. Dies deutet auf eine nur mässige Lufterneuerung hin (siehe Abb. 2). Die nun vorliegenden Resultate der Passivtracergasmessung [PentIAQ 99] bestätigen diese Vermutung (siehe Abb. 3). Mit einem mittleren Luftwechsel von ca. 0.22 h-1 im Erdgeschoss und ca. 0.15 h-1 im Ober- und Dachgeschoss wird der erwartete Luftwechsel von 0.4 h-1 deutlich unterschritten.

    Diese Messungen zeigen, dass durch die sehr dichte Bauweise auf eine Wohnungslüftung kaum verzichtet werden kann. Noch im Dezember 1999 sollen als Verbesserungsmassnahme

    Einzelraumlüftungsgeräte und Mauerventile in die Gebäudehülle eingebaut werden.

    Abb. 2: Vergleich zweier Niedrigenergiehäuser mit und ohne Wohnungslüftung (Anm.: In der Grafik werden die CO2-Konzentrationen im Erdgeschoss gezeigt; nEG gibt den während der Monate Dezember bis Februar gemessenen, mittleren stündlichen Luftwechsel im Ergeschoss an.)

    Abb. 3: Luftwechsel im Ergeschoss sowie im Ober- und Dachgeschoss

    Pumpe Raumheizung

    Die Raumheizung wurde mit Vor- / Rücklauftemperaturen von ca. 35C / 25C betrieben (siehe Abb. 4). Um die erforderlichen Auslegungstemperaturen von 30C / 25C einzuhalten muss der Durchfluss erhöht werden. Die eingesetzte Gleichstrom-Umwälzpumpe funktioniert zwar einwandfrei, erreicht jedoch nicht den geforderten Durchfluss, weil sie nur in dieser kleinen Baugrösse erhältlich ist. Sie wird noch im Dezember durch eine konventionelle Pumpe mit höherem Fördervolumen ersetzt.

    Abb. 4: Vor-/Rücklauftemperatur von Erdsonde (Soletemperatur) und Wärmepumpesowie Aussenlufttemperatur (19 März 1999)

     

    Solepumpe

    Gemäss Datenblatt des Herstellers (Smedegaard) liegt der Energiebedarf der Solepumpe (Typ Vario T-75) bei ca. 60 W. Bei einer Kontrollmessung wurde jedoch eine Leistungsaufnahme von 200 W gemessen. Nach Auskunft des Lieferanten beziehen sich die uns vorliegenden Kennlinien auf die 3-phasige Ausführung und nicht auf die in der Anlage eingesetzte einhasige Pumpe, welche einen deutlich höheren Leistungsbedarf aufweist. Da der Energieverbrauch der Solepumpe ca. 20% des Energiebedarfes der Wärmepumpe ausmacht wird die bestehende Pumpe durch eine neue (Biral M12) mit einer Aufnahmeleistung von ca. 100 W ausgewechselt.

 

b) Pilotanlage Schötz: Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Abluft-WP-Boiler

Abb. 5 zeigt das Energieflussdiagramm für die Messperiode vom 1. Februar 1999 bis 26. September 1999. Die Energieflüsse sind in MJ/m2 angegeben.

Abb. 5: Energieflussdiagramm Schötz: Werte in MJ/m2 für eine achtmonatige Messperiode
(Anm.: fett = Messwert, halbfett = Abschätzung oder Berechnung)

 

  1. Erkenntnisse / Verbesserungen

    Boilerverluste

    Die sehr grossen Verluste bei der Warmwasseraufbereitung sind unter anderem auf die schlechte Isolation des Abluft-WP-Boilers zurückzuführen. Ab Werk war der ganze Boden des Boilers und ein Schlitz von ca 6 cm Breite in der unteren Hälfte überhaupt nicht isoliert. Zu Beginn der neuen Heizperiode wurde der Boiler nachisoliert (siehe Abb. 6).



Abb. 6: links: Boiler ab Werk, Boden und ein Schlitz von ca. 6 cm Breite sind nicht isoliert;
rechts: Der Boden und der Schlitz wurden nachträglich isoliert

Solarimeter

Nachträglich wurde in Schötz ein Solarimeter eingebaut. Es dient zur Verbesserung der Parameteridentifikation (Störgrösseneinfluss) und zur Erprobung neuer Regelkonzepte.

Temperaturfühler EG und Aussenluft

Der Temperaturfühler im EG wurde während der Wintermonate kurz vor Sonnenuntergang von der Sonne beschienen, was zu Fehlmessungen führte. Der betreffende Fühler wurde versetzt. Der Temperaturfühler zur Erfassung der Aussenlufttemperatur (gleichzeitig Zulufttemperatur der WP) war im Ansaugschacht der WP montiert. Der starken Temperaturschwankungen lassen jedoch darauf schliessen, dass die Temperatur im Schacht nicht der effektiven Aussenlufttemperatur entspricht, sondern von der WP beeinflusst wird. Der Fühler wurde nun nachträglich auf eine Höhe von ca. 3 m ab Boden an der Nordwand befestigt.

 

c) Pilotanlage Fully: Haustechnikmodul HTM200 mit Grundlastmodul GLH

 

  1. Stand der Messungen

    Die Messanlage läuft seit dem 21. Dezember 1998. Die Auswertung der Messungen der Wintermonate (21. Dez. 1998 bis 18. April 1999) ist im Zwischenbericht veröffentlicht worden [NTH3 99]. Die Messwerte, die im Sommer registriert wurden, sind für den Heizbetrieb bedeutungslos, da nur Warmwasser mit dem HTM200 vorbereitet wurde.

     

  2. Erkenntnisse

    Wie im Energieflussdiagramm vom HTM200 (siehe Abb. 7) ersichtlich ist, wurden die Heizstäbe kaum in Betrieb genommen. Trotzdem ist die während der viermonatigen Messperiode gemessene Arbeitszahl der Wärmepumpe mit 2.25 relativ niedrig. Einer der Gründe liegt darin, dass das Erdregister ab Mitte März keine Wärme mehr geliefert hat (Aussenluft war wärmer als das Erdreich). Bei kälteren Perioden stieg die Arbeitszahl auf bis zu 2.8 (z.B. Woche vom 8. bis zum 14. Februar).

    Abb. 7: Energieflussdiagramm des HTM200 für die Messperiode von Woche 52/98 bis 16/99
    (W = Elektrizitätsverbrauch (Verdichter, Ventilatoren und Regelung); W_Stäbe = Elektrizitätsverbrauch der Heizstäbe für Warmwasser und Luft-Nacherwärmung; Q_Erdregister = Wärme, die aus dem Erdregister entzogen wurde; Q_WT = Wärme, die aus dem Wärmetauscher zurückgewonnen wurde; Q_WW = Energiebedarf Warmwasser; Q_HTM = Gesamtwärme, die durch das HTM200 geliefert wurde)

    Die Innentemperatur war im Erdgeschoss (Wohngeschoss) immer über 20 0C, obwohl das GLH-Modul defekt war und über der Messperiode nur 17 % der gesamten Heizwärme geliefert hat. Das Obergeschoss war aber deutlich zu kalt (oft nur 17 0C). Dies zeigt klar, dass das HTM200 allein nicht ausreichte, ein Haus dieser Grösse zu beheizen und gleichzeitig Warmwasser zu produzieren.

    Der Luftwechsel ist mit ca. 180 m3/h ausreichend. Dies zeigte sich auch bei der CO2-Konzentration der Innenluft, die während der meisten Zeit unterhalb 1000 ppm blieb. Wegen der durch die Lüftungsanlage verursachten Entfeuchtung blieb die Innenluft aber eher trocken. Die Messwerte der relativen Feuchte liegen im Bereich von 30 %.

     

  3. Verbesserungen

    Ausgehend von den Erfahrungen der ersten Messperiode sollen die folgenden Änderungen vorgesehen werden :

    • Das installierte GLH-Modul (direktkondensierende Wärmepumpe) verhielt sich bezüglich der Energieeffizienz ähnlich wie eine Elektrodirektheizung und wurde deshalb im Juli 99 ausgewechselt. Es zeigt sich aber, dass der im Fussboden eingebettete Kondensator zu klein dimensioniert ist. Daraus ergeben sich hohe Kondensationstemperaturen und eine ungenügend Wärmeabgabe. Es ist daher geplant, ein hydraulisches Wärmeverteilsystem mit Wandheizung oder Heizwänden zu installieren. Die produzierte Wärme kann dann über einen Wärmezähler einfach gemessen werden.

    • Das in Fully installierte Haustechnikmodul HTM200 hatte u.a. den Nachteil, dass Warmwasser- und Luftheizung über eine Serienschaltung von zwei Heizregistern erfolgte. Deswegen wurde es im Laufe des Monates Oktober durch ein neues Modell ersetzt, das die folgende Verbesserungen aufweist:

      - Warmwasseraufbereitung mit Hilfe eines separaten Wärmetauschers (sog. MAGRO-Schaltung), der nur während der Nachtstunden in Betrieb ist.

      - Effizientere Wärmerückgewinnung.

      - Stärkere Ventilatoren mit höherem Fördervolumen im Heizbetrieb und reduziertem Fördervolumen beim reinen Luftwechselbetrieb (ohne WRG).

     

  4. Stand der Umrüstung

    Bezüglich der Wärmeverteilung über das GLH-Modul haben sich Hausbesitzer und Installationsfirma noch nicht entschieden, ob Wandheizungen installiert werden oder nur ein zusätzlicher direktkondensierender Radiator eingebaut wird. Die ARGE NTH3 und der Hausbesitzer würden stark zur Wandheizung tendieren. Diesbezügliche Offerten werden derzeit eingeholt. Das HTM200-Gerät wurde bereits gewechselt. Beim neuen Modell muss der einphasige Elektrizitätszähler gegen einen dreiphasigen ausgetauscht und es müssen noch zwei Heizstäbe für die Luftnachheizung an den Zähler angeschlossen werden.

 

Ausblick und Perspektiven für 2000

  1. Beobachterbasierter robuster Regler

    Ein mittels H entworfener linearer Regler berechnet die aktuell benötigte Heizleistung. Diese wird unter Verwendung des vom Hersteller der Wärmepumpe zur Verfügung gestellten Leistungskennfeldes in das entsprechende Laufzeitverhältnis umgerechnet. Mittels Pulsbreitenmodulation wird die Wärmepumpe während der benötigten Laufzeit (Anteil Periodendauer) eingeschaltet. EW-Sperrzeiten werden dabei durch gezielte Anpassung der Periodendauer umgangen. Dieser Regler ist im Schlussbericht zur Phase 2 detailliert beschrieben [NTH2 98].

  2. Wärmebedarfssteuerung

    Einmal täglich werden Laufzeitfenster aufgrund der Sperrzeiten und der gemittelten Aussentemperatur der letzten 24 Stunden bestimmt. Die Berechnung des für einen Tag benötigten Wärmeenergiebedarfes wird aufgrund der gemittelten Aussentemperatur laufend aktualisiert. Die zur Deckung dieses Wärmeenergiebedarfes notwendigen Wärmepakete werden proportional zur Länge der Laufzeitfenster aufgeteilt. Die Wärmepumpe wird jeweils zu Beginn eines Laufzeitfensters eingeschaltet. Der Ausschaltzeitpunkt wird aufgrund des aktuellen Wärmeenergiebedarfes laufend nachgeführt. Dieser Regler ist im Schlussbericht Phase 1 des BFE-Projektes "Pulsbreitenmodulation für Kleinwärmepumpenanlagen" beschrieben [PWM 99].

  3. Wärmebedarfsoptimierte Regelung

    Unter Annahme eines prognostizierten Aussentemperaturverlaufes wird kontinuierlich ein optimaler Heizleistungsverlauf berechnet. Die Optimierung wird mit einem Prognosehorizont von 24 Stunden durchgeführt; für die Verteilung der Wärmepakete wird nur der Heizleistungsverlauf bis zur nächsten Sperrzeit weiterverarbeitet. Jeweils am Ende jeder Sperrzeit werden aufgrund der aktuellen Aussentemperatur und der Tarifstruktur Laufzeitfenster bestimmt. Für jedes Wärmepaket innerhalb des jeweiligen Laufzeitfensters wird der Ein- und Ausschaltzeitpunkt kontinuierlich optimiert.

[Darstellung Jahresbericht 1999 als PDF File]

by BFE Version: 31. März 2000