Forschungsergebnisse zu neuen Anlagenkonzepten

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1 Forschungsergebnisse zu neuen Anlagenkonzepten Kachelofen plus Lüftung sowie Wärmepumpe DI (FH) Jürgen Kollmann Übersicht Allgemeines Kombinationsvariante Kachelofen & Wohnraumlüftung Grundlagen Ergebnisse am Prüfstand Anlagenkonzept Ergebnisse in der Praxis Kombinationsvariante Kachelofen & Wärmepumpe Grundlagen und Anlagenkonzept Ergebnisse am Prüfstand Österreichischer Kachelofenverband

2 Allgemeines Projekt im Auftrag der ARGE Salzburger Heizungshafner(SHH) Gefördert aus Mitteln der Salzburger Regionalförderung mit EU-Geldern Ziel der ARGE Zusammenschluss von Salzburger Hafnerunternehmen zur technologischen, energetischen und ökologischen Weiterentwicklung von Hafnersystemen in Richtung moderner und innovativer Heiztechniklösungen Allgemeines Grundidee: Immer mehr Häuser werden mit einer Wohnraumlüftung (WRL) bzw. einer Wärmepumpe (WP) ausgestattet Kachelofen wird oft als nicht kompatibel mit diesen Systemen dargestellt Lüftungstechniker rät von Kachelofen ab Hafner rät von WRL ab Installateur der WP sagt, dass Kachelofen nicht notwendig ist Hafner rät von WP ab Österreichischer Kachelofenverband

3 Allgemeines Grundidee: Die Systeme sollten nicht als Konkurrenz, sondern als Partner gesehen werden! Neue Anlagenkonzepte, welche eine ideale Kombination der Systeme darstellen, sind zu entwickeln und in Folge bzgl. deren Funktionsfähigkeit zu prüfen Posi3ver Nebeneffekt Koopera3on mit Niedrigenergie- und Passivhausszene Kombinationsvariante KO & WRL Grundlagen Funktionsprinzip einer WRL: Durchströmung der Räume zur Verteilung der Wärme nutzbar Großteil der Wärme im Aufstellungsraum des KO Österreichischer Kachelofenverband

4 Kombinationsvariante KO & WRL Grundlagen Wie kann ich den Wärmeanteil über das Lüftungssystem erhöhen? Konzept: Kachelofen in Bauweise mit Luftspalt Zuluft wird durch den Kachelofen geführt und gezielt erwärmt auch weiter entfernte Räume, z.b. andere Geschoße werden gezielt mittels Kachelofen erwärmt Kombinationsvariante KO & WRL Grundlagen Beispiel: Luft mit 20 C (Luftfeuchte 20%) strömt in den Ofen und soll auf 50 C erwärmt werden Volumenstrom = 50 m³/h Leistung = 480 W Volumenstrom = 100 m³/h Leistung = 950 W Volumenstrom = 150 m³/h Leistung = 1430 W Volumenstrom = 200 m³/h Leistung = 1910 W m³/h sind typische Werte bei einem Einfamilienhaus Österreichischer Kachelofenverband

5 Kombinationsvariante KO & WRL Grundlagen Kriterien Keinesfalls darf Verbrennungsgas vom Ofen in die Lüftungsanlage gelangen. Die Durchströmung des Ofens darf keine Geräuschbelästigung im Wohnraum verursachen. Die Zuluft darf auf maximal 52 C erwärmt werden. Der Kachelofen muss auch bei Durchströmung noch in der Lage sein den Raum zu beheizen. Der Ofen darf nicht kalt bleiben bzw. zu sehr abkühlen. Der Kachelofen sollte nur durchströmt werden, sofern geheizt wird. Es muss bekannt sein, wie sich die Wärme des Ofens bei unterschiedlichen Volumenströmen aufteilt (Anteil Lüftungsanlage und Anteil Kachelofen). Kombinationsvariante KO & WRL Ergebnisse am Prüfstand Versuchsofen (Heizleistung 3,6 kw, Nennheizzeit 12h) Österreichischer Kachelofenverband

6 Kombinationsvariante KO & WRL Ergebnisse am Prüfstand Versuchsläufe Nennlast, Hülle des Kachelofens geschlossen (keine Durchströmung mit Luft) Nennlast, Lufteintritts-und Luftaustrittsöffnung offen, natürliche Konvektion (kein Ventilatorbetrieb) Nennlast, Lufteintritts-und Luftaustrittsöffnung offen, Ventilator in Betrieb (Stufe 3, ca. 90 m³/h) Nennlast, Lufteintritts-und Luftaustrittsöffnung offen, Ventilator in Betrieb (Stufe 4, ca. 140 m³/h) Je Versuchslauf wurden 6 Abbrände in einem Intervall von 12h durchgeführt KO & WRL -Ergebnisse am Prüfstand Oberflächentemperaturen Österreichischer Kachelofenverband

7 KO & WRL -Ergebnisse am Prüfstand Lufttemperaturen KO & WRL -Ergebnisse am Prüfstand Messergebnisse Hülle offen Ventilator Stufe 3 Ventilator Stufe 4 Mittlere Temperaturerhöhung der Luft C C C 60,4 36,9 28,7 Mittlerer Volumenstrom der Konvektionsluft im stationären Zustand m³/h m³/h m³/h 45,5 92,3 141,5 Mittlere Raumtemperatur C C C 29,2 28,5 26,6 Mittlere Austrittstemperatur der Konvektionsluft C C C 89,6 65,4 55,3 Luftleistung kw kw kw 0,91 1,14 1,39 Anteil Luftleistung (an Gesamtleistung von 3,6 kw) % % % Österreichischer Kachelofenverband

8 KO & WRL -Ergebnisse am Prüfstand Die Luftleistung ist ausreichend um gezielt zur Erwärmung nicht angrenzender Räume zu dienen! Eine Temperaturerhöhung der Konvektionsluft von über 50 K gegenüber der Raumluft wurde registriert. In der Endanwendung sollte die Zulufttemperatur aus Gründen der Lufthygiene und Behaglichkeit maximal 52 C betragen. Durch die Durchströmung des Ofens werden wesentlich geringere Oberflächentemperaturen als bei geschlossener Ofenhülle erreicht. Die Erwärmung des Ofens bleibt allerdings für den Kunden deutlich wahrnehmbar maximale Temperatur bei geschlossener Hülle 90 C maximale Temperatur bei 140m³/h 60 C KO & WRL - Anlagenkonzept Österreichischer Kachelofenverband

9 KO & WRL Umsetzung in der Praxis Einfamilienhaus Wohnfläche 185m² (EG + OG) HWB = 12 kwh/(m²a) Heizlast = 1,9 kw KO & WRL Umsetzung in der Praxis Kachelofen Heizleistung 4,3 kw Nennheizzeit 12h Umwelt-Plus Brennraum Externe Verbrennungsluftzufuhr Österreichischer Kachelofenverband

10 KO & WRL Umsetzung in der Praxis Kachelofen zweischaliger Innenausbau Luftspalt - Hülle Garantie Lüftungsbauer: lüftungsseitig im Bereich des Ofens immer Überdruck Unterdruckwächter Lüftungsanlage Nennluftmenge 160 m³/h Kleinstwärmepumpe (im Gerät enthalten, Sicherheitsgründe, Beheizung OG ohne KO wäre möglich) KO & WRL Umsetzung in der Praxis Zuluft OG kann über Kachelofen geführt werden Beheizung EG direkt über Kachelofen Zuluft EG wird direkt nach dem Lüftungsgerät abgezweigt und nie über den Ofen geführt Regelungstechnik: Ofen kalt (< 35 C im Luftspalt) oder Raumsensor (im OG) auf Standby ZuluS strömt über Bypass Österreichischer Kachelofenverband

11 KO & WRL Umsetzung in der Praxis Regelungstechnik Ofen warm ( 35 C im LuSspalt) Bypass schließt, Klappe für den Ofen öffnet in der Letztversion der Programmierung bewegen sich die Klappen genau gegengleich Zulufttemperatur nach Ofen auf Maximalwert von 60 C begrenzt Solltemperatur im Referenzraum erreicht Regelung auf Zulufttemperatur von 35 C Nachtabsenkung (23:30 bis 05:30) Regelung auf Zulufttemperatur von 35 C KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Messtechnische Erfassung Zulufttemperatur direkt nach dem Lüftungsgerät Lufttemperatur im Luftspalt Zulufttemperatur nach dem Ofen Oberflächentemperaturen des Ausbauspeichers Oberflächentemperaturen der Hülle Förderdruck Abgastemperatur Protokoll durch Bewohner: Stromverbrauch Lüftungsgerät Abbrände + Auflagemengen Österreichischer Kachelofenverband

12 KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Messtechnische Erfassung Datenlogger zur Messung der relativen Feuchte sowie der Raumtemperatur der einzelnen Räume Temperatur-Sensor Aufzeichnung aller Daten von Oktober 2013 bis März 2014 KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Raumklima EG: behagliche Temperaturen (meist > 20 C) OG: Temperaturen tendenziell etwas niedriger Vom Hauseigentümer gewünschte Temperaturen wurden erreicht! Deutlich mehr Abbrände im Kachelofen wären möglich gewesen! Relative Luftfeuchte Während der gesamten Heizperiode im behaglichen Bereich zwischen 30 und 70 %. Wichtigster Aspekt: Betrieb der Lüftungsanlage bei notwendiger Mindestluftmenge! Österreichischer Kachelofenverband

13 KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Raumklima Beispiel OG KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Raumklima Beispiel OG Österreichischer Kachelofenverband

14 KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Raumklima Beispiel OG KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Betriebsdaten Zeitraum Oktober 2013 bis März 2014 Benötigte Holzmenge: 609 kg Entspricht ca. 1,4 RM Buchenholz (w=20%) Kosten von 112,-bei Preis von 80/RM Im Mittel 1 Abbrand im Intervall von 3 Tagen Ausreichend Reserve für längere Kälteperioden Lüftungsgerät: Energieverbrauch: 621 kwh (inkl. Warmwasser) Kosten von 124,-bei Preis von 0,2/kWh Kosten gesamt: 236,- Österreichischer Kachelofenverband

15 KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Betriebsdaten Detailauswertung eines Abbrands Brennstoffmenge: 10 kg Diagramm 1: Lufttemperaturen und Klappenstellung Diagramm 2: Oberflächentemperaturen des Ofens Diagramm 3: Abgas-, Raumtemperatur und Unterdruck KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Betriebsdaten Detailauswertung eines Abbrands Österreichischer Kachelofenverband

16 KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Betriebsdaten Detailauswertung eines Abbrands KO & WRL Ergebnisse in der Praxis Betriebsdaten Detailauswertung eines Abbrands Österreichischer Kachelofenverband

17 KO & WRL Feedback Hauseigentümer Grundsätzliche Zufriedenheit mit dem System Grundsätzlich sehr gut. Eventuell könnte die Lüftungsanlage mehr Heizleistung haben, um auch mal ohne Ofen das Haus heizen zu können. Derzeit merkt man den Betrieb der WP für die Heizung praktisch gar nicht. Auffälligkeiten Lüftungsanlage, Ofen keine Besonderheiten KO & WRL Feedback Hauseigentümer Temperaturverteilung in den Räumen In den unteren Wohnräumen ist diese gut... Die hinteren Räume und das Bad (im EG) bleiben eher kühl. Im Bad lässt sich das aber spielend mit einem Heizlüfter beheben (für wenige Minuten in der Woche), bei den hinteren Räumen ist es eher egal, wenn nur 17 oder 18 C herrschen. Luftfeuchte Kurzfristig hatten wir zu trockene Luft. Dann haben wir aber die Lüftungsanlage ziemlich runtergedreht (sowohl Luftmenge als auch Laufzeiten)... Jetzt ist alles ok. Österreichischer Kachelofenverband

18 KO & WRL Feedback Hauseigentümer Strömungsgeräusche Keine, vielleicht ganz leicht im oberen WC, aber nur bei Stufe 2 und 3 der Lüftungsanlage. Weiterempfehlung des Systems Unbedingt, aber nur, wenn die Rahmenbedingungen passen (geringer Wärmebedarf, zentraler Ofen, engagierter Bauherr) - das System ist nur mit etwas Aufwand zu betreiben, nicht wie eine Wärmepumpe, die man im Herbst einschaltet und im Frühling aus, und dazwischen hat es immer 22. Dafür ist der Verbrauch insgesamt minimal und der Kachelofen ist nicht nur ein Einrichtungsstück. Kombinationsvariante KO & WP Grundlagen Kombinationsvariante KO & WRL nur für Niedrigstenergie-und Passivhausstandard geeignet Kombinationsvariante KO & WP könnte Lösung bei höheren Heizlasten (z.b. Sanierung) sein Vorüberlegungen: Marktentwicklung, finanzielle Aspekte: Kombination mit der günstigsten Wärmepumpenart (Wärmequelle Luft) am sinnvollsten Verbesserungspotential bei Wärmequelle Luft am größten Österreichischer Kachelofenverband

19 Kombinationsvariante KO & WP Grundlagen Funktionsprinzip einer Wärmepumpe Wärme aus dem Kachelofen Kombinationsvariante KO & WP Grundlagen Leistungszahl (COP, Wirkungsgrad) COP = Coefficient of Performance Sagt aus wie gut die Wärmepumpe arbeitet COP = Abgegebene Wärme / zugeführte elektrische Energie Österreichischer Kachelofenverband

20 KO & WP -Grundlagen Kriterien Die Durchströmung des Ofens darf keine Geräuschbelästigung im Wohnraum verursachen. Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten mit sehr hohen Luftvolumenströmen. Evtl. ist der zulässige Volumenstrom nach oben zu begrenzen. Die maximal zulässige Lufttemperatur in der Wärmepumpe ist zu berücksichtigen. Der Kachelofen muss auch bei Durchströmung noch in der Lage sein, den Raum zu beheizen. Der Ofen darf nicht kalt bleiben bzw. zu sehr abkühlen. Der Kachelofen sollte nur durchströmt werden, sofern geheizt wird. Es muss untersucht werden, ab welchen Außentemperaturen eine Nutzung der Wärme aus dem Kachelofen Sinn macht und inwieweit sich die Leistungszahl der Wärmepumpe dadurch verändert. KO & WP -Grundlagen Kriterien Es ist sicherzustellen, dass bei Nutzung der Wärme aus dem Kachelofen die Fortlufttemperatur der Wärmepumpe keinesfalls höher ist, als jene der zuvor angesaugten Außenluft. In diesem Fall würde man die Wärme des Kachelofens direkt nach draußen abführen. Die Erfüllung der genannten Punkte ist nur mit einer entsprechend ausgeführten und mit einer intelligenten Regelung ausgestatteten Luftmischbox möglich. Eine solche Luftmischbox ist zu entwickeln und die Anforderungen an die Regelung zu definieren. Es ist zu definieren, wie die wasserseitige Ausführung des Heizsystems zu erfolgen hat, z.b. ob ein Pufferspeicher notwendig ist und ob nur Flächenheizungen zulässig sind oder auch Heizkörper. Österreichischer Kachelofenverband

21 KO & WP -Anlagenkonzept KO & WP Prüfstand Versuchsofen: Heizleistung 3,6 kw, Nennheizzeit 12h Selber Ofen wie bei Versuchen bzgl. WRL Wärmepumpe Luft-Wasser-Wärmepumpe Durchschnittlicher Stromverbrauch lt. Hersteller: 3 kw Max. Heizleistung lt. Hersteller: 12 kw Arbeitstemperatur: -20/+45 C Vorlauftemperatur max.: 60 C Österreichischer Kachelofenverband

22 KO & WP Prüfstand KO & WP Prüfstand Österreichischer Kachelofenverband

23 KO & WP Versuchsläufe Alleiniger Wärmepumpenbetrieb Keine Luftführung über Kachelofen Soll-Vorlauftemperatur 30, 40 bzw. 50 C Luftführung über Kachelofen, kein Umluftbetrieb Ansteuerung von Klappe 2 mit PID-Regler, um zulässige Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe von 45 C nicht zu überschreiten Soll-Vorlauftemperatur 30, 40 bzw. 50 C KO & WP Messgrößen Temperatur der angesaugten Außenluft Mischlufttemperatur zwischen den beiden Klappen Mischlufttemperatur vor dem Kachelofen Relevante Luftgeschwindigkeiten Warmlufttemperatur nach dem Kachelofen Mischlufttemperatur nach Klappe 2 Fortlufttemperatur nach der Wärmepumpe Oberflächentemperaturen des Kachelofens Wasserwärmeleistung Stromverbrauch der Wärmepumpe Österreichischer Kachelofenverband

24 KO & WP Ergebnisse am Prüfstand KO & WP Ergebnisse am Prüfstand Österreichischer Kachelofenverband

25 KO & WP Ergebnisse am Prüfstand KO & WP Ergebnisse am Prüfstand Österreichischer Kachelofenverband

26 KO & WP Ergebnisse am Prüfstand Oberflächentemperaturen Durch die Durchströmung des Ofens werden wesentlich geringere Oberflächentemperaturen als bei geschlossener Ofenhülle erreicht. Die Erwärmung des Ofens bleibt allerdings für den Kunden deutlich wahrnehmbar maximale Temperatur bei alleinigem Kachelofenbetrieb 90 C maximale Temperatur bei LuSführung über den Kachelofen 60 C Zeitlicher Verlauf der Abkühlkurven ähnlich Zusammenfassung Kombinationsvariante KO & WRL Umsetzung in der Praxis möglich Heizlast: max. 2 kw über das Lüftungssystem Kachelofen beheizt angrenzende Räume direkt Detailliertes Anlagenkonzept wurde ausgearbeitet! Systemgrenzen Anforderungen Kachelofen Anforderungen Wohnraumlüftung Regelungstechnische Anforderungen Sonstige Anforderungen Vor Ausführung jedenfalls Schulung notwendig Derzeit gibt es Gespräche bzgl. vorgefertigter Anlagenkomponenten! Österreichischer Kachelofenverband

27 Zusammenfassung Kombinationsvariante KO & WP Umsetzung in der Praxis möglich, ohne vorgefertigte Anlagenkomponenten jedoch schwierig Heizlast: max. 8 kw wird empfohlen Kachelofen beheizt angrenzende Räume direkt Detailliertes Anlagenkonzept wurde ausgearbeitet! Systemgrenzen Anforderungen Kachelofen Anforderungen Wärmepumpe Anforderungen Luftmischbox Anforderungen Luftleitungen Regelungstechnische Anforderungen Sonstige Anforderungen Zusammenfassung Kombinationsvariante KO & WP Vor Ausführung jedenfalls Schulung notwendig Derzeit gibt es Gespräche mit Industriebetrieben bzgl. vorgefertigter Anlagenkomponenten! Österreichischer Kachelofenverband

28 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte: Österreichischer Kachelofenverband