Luft/Wasserwärmepumpe in einem bestehendem Einfamilienhaus

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1 Luft/Wasserwärmepumpe in einem bestehendem Einfamilienhaus Einleitung Der Einbau von Luft/Wasserwärmepumpen für die Raumheizung und Warmwasserbereitung in Einfamilienhäusern nimmt stetig zu. Sie kommen nicht nur im Neubau als Wärmebereitstellungssystem zum Einsatz, sondern auch in Bestandsgebäuden, in denen ein veralteter Heizkessel durch eine Luft/Wasserwärmepumpe ersetzt wird. Begründet wird dies mit den Argumenten, dass die Betriebskosten für die Raumheizung und Warmwasserbereitung wesentlich verringert werden können, es eine umweltfreundliche Technologie ist, und die Anlage einfach und platzsparend installiert werden kann. Leider werden in vielen Fällen die notwendigen Rahmenbedingungen für den Einsatz von Wärmepumpen nicht beachtet, oder es wird ein falsches Wärmepumpensystem eingesetzt, was nicht nur hohe Folgekosten verursacht, sondern die Nutzung des jeweiligen Gebäudes nahezu unmöglich macht, wie es im nachfolgenden Fall beschrieben wird. Vorgeschichte Das Einfamilienhaus der Familie X in Y wurde um 1980 in Massivbauweise errichtet. Es besitzt ein teilweise beheiztes Kellergeschoß mit einer beheizten Nettofläche von 67 m 2 und ein Erdgeschoß mit einer beheizten Nettofläche von 125 m wurden alle Fenster im Erdgeschoß ausgetauscht. Die U-Werte der einzelnen Bauteile sind in der Tabelle 1 ersichtlich entschied sich die Familie, den bestehenden Ölkessel durch ein umweltfreundliches System zu ersetzten. An der vorhandenen Fußbodenheizung sollten keine Änderungen vorgenommen werden. Nach einem Beratungsgespräch mit einer Fachfirma, entschied sich die Familie für eine Luft/Wasserwärmepumpe als neues Wärmebereitstellungssystem. Installierte Heizungsanlage Abbildung 1: Wärmepumpe mit Zu- und Abluftkanal Abbildung 2: Auslass Zu- und Abluft der Wärmepumpe Die beauftragte Fachfirma installiert im Technikraum eine Giebel-Heizungswärmepumpe (Abbildung 1). Die Zuluft wird der Wärmepumpe über ein Spirorohr, DN 500, aus dem Außenbereich zugeführt. Die Abluft gelangt über ein Spirorohr, DN 500, wieder in den Außenbereich (Abbildung 2,). Die Holztrennwand zwischen dem Zu- und Abluftauslass wurde nachträglich vom Bauherrn selbst angebracht (Abbildung 4). E. Draxler / Artikel.doc Seite 1

2 Abbildung 3: Anschlusspunkt an das bestehende Heizsystem Abbildung 4: Holzkonstruktion Abbildung 5 Anschluss Wärmepumpe Abbildung 6: Dreiwegventile Die von der Wärmepumpe bereitgestellte Wärme wird über ein Rohrsystem einem Pufferspeicher mit einem Nenninhalt von 500 l sowie dem Warmwasserbereiter zugeführt. Im Pufferspeicher ist ein elektrischer Heizstab mit einer Leistung von 6 kw eingebaut. Laut Auskunft des Bauherrn ist der Zusatzheizstab nicht in Betrieb. Die Umschaltung vom Heizungsbetrieb auf den Warmwasserbetrieb wird mittels eines Dreiwegeventils durchgeführt (Abbildung 6). E. Draxler / Artikel.doc Seite 2

3 Vom Pufferspeicher führt der Heizungsvor- und Rücklauf zum Anschluss an die bestehende Fußbodenheizung. Die Auslegungstemperaturen der Fußbodenheizung konnten nicht ermittelt werden. Es wird angenommen, dass die Auslegungsvorlauftemperatur der Fußbodenheizung zwischen 40 C und 45 C liegt. Abbildung 7: Pufferspeicher Berechnungen und Messungen Tabelle 1: U-Werte der einzelnen Bauteile U-Werte Code Beschreibung W/(m 2.K) Anmerkung AW01 Außenwand, 6 cm WD 0,419 AW02 Außenwand erdberührt, 6 cm WD 0,449 AF01 Außenfenster 1,300 AF02 Außenfenster Keller 1,700 Annahme AT01 Außentür 1,400 DE01 oberste Geschoßdecke 0,565 FB01 Geschoßdecke 0,753 FB02 erberührter Fußboden Keller 0,824 IW01 Innenwand 30 cm Keller 1,012 IT01 Innentür Wohnraum 1,900 Erfahrungswert Der Heizlastberechnung nach ÖNORM EN bzw. VÖNORM H 7500 wurden die U-Werte gemäß Tabelle 1 zu Grunde gelegt. Bei einer Norm-Außentemperatur von -12,5 C ergab sich eine Norm-Gebäudeheizlast von W. E. Draxler / Artikel.doc Seite 3

4 Für die Warmwasserbereitung ist gemäß ÖNORM H eine Wärmeleistung von W erforderlich. Die Auslegungswärmeleistung wurde nach ÖNORM H mit W (Tabelle 2) berechnet, wobei der Auslegungsfaktor für die Gebäudeheizlast gemäß ÖNORM H mit 0,9 angenommen wurde. Tabelle 2: erforderliche Auslegungsheizlast, Heizleistung der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Zulufttemperatur Außentemperatur Gebäudeheizlast Warmwasserheizlast Auslegungsheizlast Heizleistung der WP laut Hersteller interpolierte Heizleistung der Wärmepumpe Differenz VL = 40 C VL = 45 C VL = 40 C VL = 45 C VL = 40 C VL = 45 C -12,5 C W W W W W W W -12,0 C W W W W W W W -11,0 C W W W W W W W -10,0 C W W W W W W W W W -9,0 C W W W W W W W -8,0 C W W W W W W W -7,0 C W W W W W W W W W -6,0 C W W W W W W W -5,0 C W W W W W W W -4,0 C W W W W W W W -3,0 C W W W W W W -898 W -2,0 C W W W W W -576 W -431 W -1,0 C W W W W W -26 W 24 W 0,0 C W W W W W 553 W 487 W 1,0 C W W W W W W 982 W 2,0 C W W W W W W W W W W Auslegungsheizlast interpolierte Heizleistung der Wärmepumpe VL = 40 C interpolierte Heizleistung der Wärmepumpe VL = 45 C W W W W W W 00 W -14,0 C -13,0 C -12,0 C -11,0 C -10,0 C -9,0 C -8,0 C -7,0 C -6,0 C -5,0 C -4,0 C -3,0 C -2,0 C -1,0 C 0,0 C 1,0 C 2,0 C 3,0 C Abbildung 8: erforderliche Auslegungsheizlast, Heizleistung der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Zulufttemperatur E. Draxler / Artikel.doc Seite 4

5 Im Sommer 2009 erfolgte eine Heizleistungsmessung der Wärmepumpe für die Warmwasserbereitung (Abbildung 9). Der Volumenstrom des Heizungswassers wurde mittels Ultraschallmessgerät, die Temperaturen mittels Pt-100 Temperatursensoren gemessen. Anhand der Messdaten wurden Heizleistungen der Wärmepumpe von 12,0 kw bis 15,0 kw berechnet. Die Zulufttemperatur während des Betriebes der Wärmepumpe lag bei 25 C. Im Zuge der Messung kam es zur Abschaltung der Wärmepumpe durch den Hochdruck-Pressostaten Zuluft Abluft Abluft HZ vorlauf HZ Rücklauf Wärmeleistung 40,0 37,5 35,0 32,5 30,0 27,5 25,0 Temperatur [ C] ,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 Leistung [kw] -20 0,0 07:30:00 08:30:00 09:30:00 10:30:00 11:30:00 12:30:00 13:30:00 14:30:00 15:30:00 16:30:00 17:30:00 18:30:00 19:30:00 Zeit Abbildung 9: Temperatur- und Leistungsverlauf der Wärmepumpe bei der Warmwasserbereitung Mängel und ihre Ursachen in der Heizperiode Abbildung 10: Raumtemperatur E. Draxler / Artikel.doc Seite 5

6 Im Jänner 2008 wurde in den Aufenthaltsbereichen eine Raumlufttemperatur zwischen 17 C und 18 C gemessen (Abbildung 10). Diese geringen Raumtemperaturen sind auf die zu geringe Heizleistung der Wärmepumpe zurückzuführen. Ab einer Außentemperatur von -1 C ist die Wärmepumpe nicht mehr in der Lage die erforderliche Heizleistung für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung aufzubringen (Tabelle 2 bzw. Abbildung 8), was ein Sinken der Raumtemperatur zur Folge hatte. Die Ursache für die Falschauslegung der Wärmepumpe dürfte in der Tatsache liegen, dass die Heizleistung einer Luft/Wasserwärmepumpe meist bei einer Zulufttemperatur von 7 C und einer Heizungswassertemperatur von 35 C angegeben wird. Die Heizleistung einer Wärmepumpe ist unter anderem abhängig von der Temperatur des Quellmediums. Insbesondere bei Luft/Wasserwärmepumpen verringert sich die Heizleistung wesentlich, wenn die Außentemperatur abnimmt. Eine weitere Minimierung der Heizleistung der Wärmepumpe wurde durch die unmittelbar nebeneinander installierten Zu- und Abluftöffnungen verursacht (Abbildung 2). Dadurch kommt es zu einer Kurzschlussströmung bei der die kalte Abluft teilweise wieder als Zuluft der Wärmepumpe zugeführt wird. Zwar wurde vom Hauseigentümer eine Holzkonstruktion zur Trennung der beiden Luftvolumenströme angebracht (Abbildung 4), wodurch eine Minimierung der Kurzschlussströmung erzielt, aber nicht zur Gänze verhindert werden kann. In Folge dessen kam es zur völligen Demontage des Zuluftkanals (Abbildung 1). Die erforderliche Zuluft für die Wärmepumpe wird ab diesem Zeitpunkt dem Aufstellungsraum entnommen, von der Wärmepumpe abgekühlt und über den Außenluftkanal wieder an die äußere Umgebung abgegeben. Die vom Aufstellungsraum entnommene Luftmenge wird durch nachströmende Raumluft aus beheizten oder unbeheizten Bereichen des Gebäudes und in weiterer Folge durch nachströmende Außenluft ersetzt. Dieses Nachströmen der Außenluft bewirkt eine zusätzliche Heizlast welche die Wärmepumpe abdecken muss. Da ihre Heizleistung schon unter Normalbedingungen nicht ausreichend war und durch den infiltrierten Luftvolumenstrom die Heizlast des Gebäudes noch vergrößert wurde, kam es zu einer weiteren Verringerung der Raumtemperatur. Bei tiefen Außentemperaturen über einen längeren Zeitraum ist das Einfamilienhaus nahe zu unbewohnbar. Abbildung 11: vereister Verdampfer Während der Heizperiode kam es mehrmals zu einer massiven Vereisung des Verdampfers der Wärmepumpe (Abbildung 11). Besonders bei Außentemperaturen zwischen +5 C und -5 C bildet sich Eis am Verdampfer einer Luft/Wasserwärmepumpe, da die Außenluft in diesem Temperaturbereich E. Draxler / Artikel.doc Seite 6

7 eine wesentlich größere Feuchte hat als bei Temperaturen unter -5 C. Da die Temperatur des Kältemittels, und somit die Verdampferoberflächentemperatur unter 0 C beträgt, kondensiert das in der Luft enthaltene Wasser an der Verdampferoberfläche und bildet eine Eisschicht, welche den Wärmeübergang an das Kältemittel wesentliche verringert. Aus diesem Grund haben Luft/Wasserwärmepumpe eine Abtauvorrichtung um den Verdampfer zu enteisen. Bei der eingebauten Wärmepumpe wurde diese Energie dem Pufferspeicher entnommen. Die massive Vereisung des Verdampfers hat zur Folge, dass die Heizleistung der Wärmepumpe sich weiter verringert. Die oben angesprochene Unterdimensionierung der Wärmepumpe bewirkt lange Laufzeiten der Wärmepumpe. Je geringer die Außentemperatur ist, desto länger sind die Betriebsintervalle der Wärmepumpe und es bildetet sich immer mehr Eis am Verdampfer. Geht die Wärmepumpe in den Abtaubetrieb, entnimmt sie einen Anteil von der zuvor im Pufferspeicher eingelagerten Wärme für das Abtauen des Verdampfers. Bei Außenlufttemperaturen um den Gefrierpunkt ist die Wärmepumpe nicht mehr in der Lage, das gesamte Eis am Verdampfer zu verflüssigen. Somit wird die Eisschicht immer dicker und die Heizleistung der Wärmepumpe wird minimiert. Auch dieser Effekt war für die niedrigen Raumtemperaturen im Objekt verantwortlich. Die zu geringe Heizleistung der Wärmepumpe hat nicht nur Auswirkungen auf die Gebäudebeheizung sondern auch auf die Warmwasserbereitung, wie nachfolgend beschrieben wird. Ein ständig vereister Verdampfer verringert nicht nur die Heizleistung, sondern erhöht auch wesentlich den Strombedarf der Wärmepumpe was in weiterer Folge zu höheren Heizkosten führt. Wie oben erwähnt, ist im Pufferspeicher ein elektrischer Heizstab mit einer Heizleistung von 6 kw eingebaut. Diese Zusatzheizung ist lediglich zur Spitzenlastabdeckung gedacht, nicht aber als paralleles Wärmebereitstellungssystem. Wäre dieser Heizstab aktiviert gewesen, hätte er eine beträchtliche Erhöhung der Stromkosten verursacht. Mangel und seine Ursache bei der Warmwasserbereitung Ein weiteres Problem in diesem Gebäude war die zu geringe Warmwassermenge, sowohl im Winter als auch im Sommer. Dies machte sich dadurch bemerkbar, dass nach einem Duschbad die vorhandene Warmwassermenge bzw. die Warmwassertemperatur für ein weiteres Duschbad nicht mehr in ausreichender Höhe vorhanden war. In der Heizperiode war die Ursache für die zu geringe Warmwassermenge die zu kleine Heizleistung der Wärmepumpe - wie oben bereits ausführlich beschrieben. Im Sommer lag die Ursache für die zu geringe Warmwassermenge in der zu großen Heizleistung der Wärmepumpe. Bei der Umstellung der Heizungsanlage vom Ölkessel auf die Wärmepumpe, blieb der bestehende Warmwasserbereiter erhalten. Unterschritt die Temperatur des Wassers im Speicher den eingestellten Sollwert, so wurde die Wärmepumpe von der Regelung in Betrieb genommen und schaltet das im Heizungsvorlauf eingebaute Dreiwegeventil (Abbildung 6) auf die Stellung Warmwasserbereitung um, und die gesamte Heizleistung der Wärmepumpe stand für die Warmwasserbereitung zur Verfügung. Luft/Wasserwärmepumpen haben die Eigenschaft, dass ihre Heizleistung in Abhängigkeit der zugeführten Luft stark schwankt, wie bereits oben beschrieben. Bei der vorgenommenen Heizleistungsmessung der Wärmepumpe wurde eine Wärmeleistung von 15 kw bei einer Zulufttemperatur von 25 C abgegeben (Abbildung 9). Der Wärmetauscher in der bestehenden Warmwasserbereitung war nicht in der Lage, die von der Wärmepumpe bereitgestellte Wärmeleistung an das zu erwärmende Trinkwasser abzugeben. Dadurch stieg die Heizwassertemperatur stetig an, wodurch auch der Kondensationsdruck im Kältekreislauf im größer wurde. Trotz der Anforderung von Wärme durch die Warmwasserbereitung wurde die Wärmepumpe auf Grund des hohen Druckes auf der Kondensator- E. Draxler / Artikel.doc Seite 7

8 seite vom Hochdruck-Pressostaten aus Sicherheitsgründen abgeschaltet und verriegelt. Eine Wiederinbetriebnahme war nur durch die Quittierung der Störung möglich. Die Betriebskosten der Wärmepumpe für die Warmwasserbereitung sind auf Grund der hohen Kondensationsdrücke um einiges höher als bei vergleichbaren Anlagen. Zusammenfassung Der Einsatz von Wärmepumpen in bestehenden Objekten bedarf einer genauen Analyse des Bestandes, gegebenenfalls einer thermischen Sanierung des Gebäudes und einer genauen Abstimmung der Wärmepumpe und der anderen neuen Komponenten auf das vorhandene Heizsystem. Luft/Wasserwärmepumpen sind in den meisten Fällen als substituierendes Wärmebreitstellungssystem nicht geeignet. Ihre Heizleistung ist stark von der Zulufttemperatur abhängig und kann nur schwer in Einklang mit dem bestehenden System gebracht werden. Bei tiefen Zulufttemperaturen sind sie meist nicht in der Lage die erforderliche Heizlast abzudecken. Der zusätzliche Einsatz eines elektrischen Heizregisters kann in vielen Fällen das Leistungsdefizit ausgleichen, hat aber den Nachteil, dass mit wesentlich höheren Heizkosten zu rechnen ist. Weiters ist noch zu berücksichtigen, dass eine Luft/Wasserwärmepumpe für die Beheizung eines Gebäudes nie die Jahresarbeitzahl erreichen wird, wie eine Sole/Wasserwärmepumpe oder eine Wasser/Wasserwärmepumpe im gleichen Gebäude. Dies wiederum bedeutet, dass die Heizkosten höher sind als bei den beiden anderen Wärmepumpensystemen. Die Heizleistung einer Luft/Wasserwärmepumpe, welche für die Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung eingesetzt wird, ist im Sommer auf Grund der hohen Zulufttemperaturen wesentlich höher als im Winter, was zu Problemen bei der Warmwasserbereitung führen kann. Eine genaue Abstimmung der Wärmepumpe mit der Warmwasserbereitung ist die Basis für eine einwandfreie Funktion der gesamten Anlage. Dipl. Ing.(FH) Erich Draxler Allgemein beeideter und gerichtlich zertifizierter Sachverständiger Tuchmachergasse 7d A-7423 Pinkafeld E. Draxler / Artikel.doc Seite 8