Gas-Zentralheizung Einfamilienhaus

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1 DIAGNOSE 3400 BRANDMAYERSTRASSE Gas-Zentralheizung Gas- Einfamilienhaus Zentralheizung April 2014 Einfamilienhaus Beck&Partner KG Gas-Zentralheizung Einfamilienhaus Vorwort Die Studie zeigt eine Muster-Analyse basierend auf realen Daten. Der Zweck ist zu zeigen, welche Arten von Auswertungen diese Analyse mit den vorhandenen Werkzeugen und Methoden liefern kann und welche Schlüsse daraus gezogen werden können. INHALT: Zusammenfassung... p.2 Monitoring... p.3 Sensordaten & Details...p.7 Die Daten wurden mit einem einfachen Datalogger und lediglich 3 Thermosensoren gesammelt (Vorlauf, Rücklauf, Abgastemperatur). Die Wetterdaten basieren auf Rohdaten der WMO und wurden mit eigener Software decodiert und für die exakte Lage dieses Gebäudes aufbereitet. W W W. B E C K P A R T N E R. C O M

2 1. Zusammenfassung 1.1. Das Gebäude Es handelt sich um ein Einfamilienhaus Nähe Wien / Wienerwald. Legende: VL = Vorlauf, RL = Rücklauf, Abgas = Abgastemperatur (Rohrwand) 200 m² Wohnfläche Renovierter Altbau, sehr ungünstige Geometrie (hohe Oberfläche) Komplett bewohnt / beheizt 300 l Solarspeicher für Brauchwasser Vaillant Gasheizung 21,2 kw, BJ 1996, Niedertemperaturgerät, 1-stufig, nicht modulierend Steuerung über AT-Fühler und Heizkurve Heizkurve wird im Frühjahr wegen der größeren Solargewinne manuell leicht nach unten gesetzt 1.1. Diagnose Häufige kurze Zündungen Sehr geringe Last (Kessel massiv überdimensioniert) Lastspitzen nur bei Warmwasserbereitung, diese wiederum nur an manchen Tagen (oft reicht Solarthermie völlig aus) Wiedererwärmung nach der Nachtabsenkung ist ein relativ langer und guter Zyklus 1.2. Empfehlungen / Folgerungen Ersetzen des Kessels durch einen kleiner dimensionierten Oder Einbau eines großen Pufferspeichers Oder Steuerung auf die Zusammenziehung von Brennerzyklen ausrichten: 1.3. Mindestlaufzeit (z.b Minuten) 1.4. Benötigte Energiemenge vorausberechnen 1.5. Sperre des Brenners, bis diese Energiemenge voraussichtlich benötigt wird (d.h. es ergibt sich automatisch die längere Laufzeit und weniger Zyklen) 1.6. Betrieb analog zum Start aus der Nachtabsenkung (Aufholen der zu wenig zugeführten Energie über die Nacht) Einsatz von Wetterprognosen zur Ermittlung der wahrscheinlichen Brennerdauer über den Tag, anschließend Verteilung auf die Stunden 4:00 9:00 und 16:00-20:00. Planung der Warmwassererzeugung bereits mit der Solarthermie-Vorschau für den kommenden Tag. DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Zusammenfassung 2

3 2. Energie-Monitoring und Vorhersage-Formeln 2.1. Einfaches Monitoring Der Datenlogger ist programmiert, um einige Eckdaten täglich direkt zu berechnen (Zeitdauer des Brennerbetriebs, Energiebedarf dafür usw.). Einmal täglich lädt der Datalogger die Wetter- Prognosedaten für Europa vom Server. Danach decodiert und berechnet er die lokale Wetterprognose für den Standort. Diese Daten werden dann am nächsten Tag verwendet, um den tatsächlichen Energieverbrauch um das Wetter zu korrigieren. Die selbe Software ist für PCs und Server verfügbar, wenn die Verbrauchsdaten bereits über die Gebäudetechnik oder über die Heizungssteuerung verfügbar sind (und man daher auf den Datalogger verzichten kann.) Possible versus actual power input [kwh] Possible kwh: (24 x nominal power) 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Actual consumtion versus standard [kwh/hdd] HDD = heat degree days 0, kwh/hdd actual: DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Energie-Monitoring und Vorhersage-Formeln 3

4 kwh/day 150% Energy Consumption Performance [kwh/hdd] Standard = 100% 100% 50% Performance: 0% Energieverbrauch und Wetterprognose Basierend auf 14 Meßtagen ( ) wurde eine multiple Korrelation zwischen Verbrauch und Wetterfaktoren errechnet. Das Resultat ist eine lineare Formel, die 6 Wetterparameter der aktuellsten Wetterprognose mit dem erwarteten Verbrauch (d.h. Wärmebedarf) verbindet. Der Algorithmus selbst ist selbstlernend und adaptiv und liefert erste verwendbare Resultate schon ab etwa 2 Wochen. Die Formel erlaubt eine Prognose des Energiebedarfs des nächsten Tages, errechnet aus den Parameters und der Wetterprognose für diesen Tag. Energy consumption Forecast & Actual (during learning phase) 80,00 60,00 40,00 20, ,00 FC ACTUAL Difference Diese Graphik zeigt den Vergleich zwischen der errechneten Verbrauchsprognose und den tatsächlichen Werten für die Meßtage. Die Spitze am 20. und 22. April (und die entsprechende größere Abweichung an diesem Tag) resultiert daraus, daß an dem Tag die niedrige Nachttemperatur zu Heizbetrieb geführt hat, der eigentlich angesichts der Tageserwärmung zu hoch war. Ein merkbarer Anteil davon könnte eingespart werden, wenn man die thermische Trägheit des Gebäudes in der Heizungssteuerung berücksichtigen würde ( prediktive Steuerung ). DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Energieverbrauch und Wetterprognose 4

5 kwh Achsentitel 800,00 600,00 400,00 200, ,00 Cumulated Forecast & Actual 14 days FC cum ACT cum Diff cum Kumuliert man den tatsächlichen und den prognostizierten Verbrauch über die Tage, so zeigt sich, daß sich die Abweichungen praktisch vollständig kompensieren. Das ist besonders für Gebäude mit hoher thermischer Masse (wie das untersuchte) eine gute Nachricht day cumulative Forecast & Actual FC 3 days ACT 3 days Diff 3 days Für Gebäude mit geringerer thermischer Masse erscheint es sinnvoll, einen gleitenden 3- Tagesverbrauch zu betrachten. Man kann annehmen, daß in diesem Zeitraum auch solche Gebäude geringe Abweichungen mit ihrer thermischen Trägheit ausgleichen, ohne daß Komfortverletzungen vorkommen. 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% -5,00% -10,00% 3 day Diff in load % (1 day full operation = 100%) 3 day Diff in load % Die selben Daten lassen sich als Prozentsatz der möglichen Last des Systems darstellen. Damit kann man abschätzen, ob etwaige Abweichungen kurzfristig durch zusätzlichen Brennerbetrieb DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Energieverbrauch und Wetterprognose 5

6 ausgeglichen werden können. Da der Wert hier immer unter 10% liegt, besteht jederzeit die Möglichkeit, über etwas erhöhten Brennerbetrieb (etwa gesteuert durch einen Innenraumfühler) drohende Komfortverletzungen in der Raumtemperatur auszugleichen. 3 3 day Diff in burner hours day Diff in burner hours -1-2 Hier eine weitere Darstellungsart der selben Daten: die kumulierten Differenzen über gleitende 3 Tage ausgedrückt in Brenner-Stunden hier entsprechend maximal 2,2 Stunden Weitere Verbesserungen der Methode Die Methode kann primär durch ein laufendes Monitoring und den damit verbundenen Aufbau einer größeren Datenbasis verbessert werden. Nach 6-9 Wochen ist es möglich, den Selbstlern-Algorithmus zu aktivieren. Dieser ist besonders für die Berücksichtigung von Saisoneinflüssen wertvoll (Bäume mit Blättern im Herbst, aber ohne Blätter im Frühjahr; neue Gebäude und zusätzliche oder geänderte Verschattung) Mit 10 oder mehr Wochen als Datenbasis ist es möglich, das Nutzerverhalten ebenfalls zu lernen. (Warmwasserbedarf, Wochenprogramm, unterschiedliche Einstellungen der Wochentage). Wird die Datenbasis ausgeweitet, so läßt sich auch die Anzahl der Parameter auf ca. 35 erhöhen. In diesem Ausbau sind dann Außentemperatur, Windgeschwindigkeit und passive Solargewinne abbildbar. Dazu kommen astronomische Werte wie Sonnenauf- und untergang, Tageslänge und solare Einstrahlungswinkel. Eine Erweiterung für die Prognose von Solarthermie (Warmwasser) oder PV-Eigenstrom (Betrieb einer Wärmepumpe oder Klimaanlage) ist ebenso machbar. DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Weitere Verbesserungen der Methode 6

7 3. Sensordaten Daten Balkengraphik / Liniengraphik geglättet / Liniengraphik fein Praktisch keine Heizung am Keine Warmwasserbereitung am und (sonnige Tage mit ausreichend Solarthermie) DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Sensordaten 7

8 3.1. Temperaturdifferenzen zwischen Sensorpaaren Rote Balken ins Negative treten auf, wenn der Brenner bereits aus ist (Vorlauf > Abgastemperatur), der Vorlauf aufgrund der Kesselmasse aber nicht rasch abkühlt. Grüne Balken ins Negative treten auf, wenn die Warmwasserbereitung läuft, weil sich der Bereich des Rücklaufs, in dem sich der Sensor befindet, erwärmt (ohne daß ein VL erwärmt wird). Sollte durch andere Position des Sensors vermieden werden. DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Temperaturdifferenzen zwischen Sensorpaaren 8

9 3.2. Leistungsprofil der Anlage in kw Graphik ist ident mit Temperaturdifferenzen multipliziert mit der Leistung (einstufiger Brenner, keine Modulation) Die Nominalleistung beträgt 21,2 kw. Wie man sieht, wird diese Leistung (grün) nur einmal in der beobachteten Woche (kurz) für die Warmwasserbereitung erreicht. Dadurch, daß die WW-Bereitung nur maximal 40 Minuten benötigt wird, ergibt sich eine Lastspitze für die Stunde von rund 15 kw. DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Leistungsprofil der Anlage in kw 9

10 Die Mittlere Last liegt meist unter 5 kw (negative Werte vernachlässigt) In vorhergehender Graphik sind die Brennerzyklen (grün) zu erkennen. Obwohl also die Lastspitzen kurzfristig zwischen 10 und 15 kw liegen können, ergibt sich ein Mittelwert pro Stunde, der weit darunter liegt. Spitzen ins Negative sind wieder die Zeiten der Warmwasserbereitung ohne Zirkulation im Heizkreislauf mit dem erwärmten Rücklaufsensor (nur Vorlauf ist gesperrt, im Rücklauf steigt erwärmtes Wasser aus dem Kessel auf). DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Leistungsprofil der Anlage in kw 10

11 3.3. Detailanalyse / Zoom auf einen Tag Man sieht, daß die Nachtabsenkung um 4:00 zu Ende ist und ein leichter Heizbedarf bis Mittag geht. Ab 11:00 ist die Anlage gesperrt, nachmittags ergab sich aufgrund der warmen Außentemperaturen kein Heizbedarf. Um 16:00 startet die Warmwasserbereitung (offenbar war die Sonneneinstrahlung am Vormittag zu gering, um den Speicher mit Solarthermie voll zu laden.) Am Abend KEINE Brennerstarts. DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Detailanalyse / Zoom auf einen Tag 11

12 DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Detailanalyse / Zoom auf einen Tag 12

13 DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Detailanalyse / Zoom auf einen Tag 13

14 Minimale Brennerlast am Vormittag (grün). DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Detailanalyse / Zoom auf einen Tag 14

15 3.4. Zeitausschnitt 4:00 bis 6:00 am Sensordaten zuerst in 5-Min.Schritten (Mittelwerte), dann feiner aufgelöst (nächste Seite). DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Zeitausschnitt 4:00 bis 6:00 am

16 d.h. maximale Last von 21,2 kw (+/- Rundungsfehler) nur 1x am Tag für 1-3 Minuten!). Drei weitere Zyklen zwischen ca. 5:00 und 6:00 mit 15 kw Spitze. Das bedeutet, daß der Brenner ausgeschaltet wurde, bevor der Kessel sich vollständig erwärmt hat. Die Zeitverzögerung zwischen der roten und der grünen Spitze entspricht der Verzögerung durch die thermische Masse des Kessels. Die Zeit zwischen den grünen Spitzen entspricht der Zyklusdauer. Sie ist kürzer, wenn die AT niedriger ist, wird also mit der Tageserwärmung immer länger. DIAGNOSE 3400 Brandmayerstrasse Zeitausschnitt 4:00 bis 6:00 am