Projekt im Forschungsprogramm Umgebungswärme, Abwärme, WKK (UAW) des Bundesamts für Energie (BFE) abgeschlossen:

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1 Projekt im Forschungsprogramm Umgebungswärme, Abwärme, WKK (UAW) des Bundesamts für Energie (BFE) abgeschlossen: Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit, Phase 3: Messungen an drei Funktionsmustern Bei Niedrigenergiehäusern (z.b. nach Minergiestandard) sinkt der Heizleistungsbedarf von Gebäuden auf rund die Hälfte konventioneller Bauten. Damit steigt der Wärmebedarfsanteil für die bereitung auf 30% bis 40% des gesamten Wärmebedarfs. Dies stellt neue Anforderungen an die Heizsysteme. Um das Ziel eines hohen Komforts kostengünstig und mit möglichst geringer Umweltbelastung zu erreichen, wurden Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung und Gebäude bereits in den Phasen 1 und 2 dieses Projekts als ganzes System behandelt. Aufgrund der dort angestellten theoretischen Überlegungen und der Laborversuche wurden nun in der Phase 3 drei Funktionsmuster für drei neue Niedrigenergiehäuser gebaut und in den Heizperioden 98/99 und 99/00 detailliert ausgemessen. Diese ergänzenden Versuche dienten in erster Linie der praktischen Erprobung der in den Phasen 1 und 2 vorgeschlagenen Konzepte einfacher nheizungen ohne Wärmespeicher. Dabei wurde auch die Reaktion der vorgeschlagenen neuen Steuer- und Regelungsmethoden auf das reale Benutzerverhalten untersucht. Untersuchte Systeme Zwei der untersuchten Objekte wurden mit konventionellen en ausgerüstet. Sie erfüllen den Minergiestandard. Da hier bereits ausgereifte Lösungen vorliegen, wird nachstehend nur über diese berichtet. Das dritte Haus wurde mit Luft als Wärmeverteilungssystem ausgestattet. Dieses System verspricht zwar ein sehr interessantes Preis / Leistungsverhältnis. Es traten aber für eine abschliessende Bewertung noch zu viele Kinderkrankheiten auf. Hier ist noch ein erheblicher Weiterentwicklungsbedarf vorhanden. Auf eine Wiedergabe der Resultate an diesem dritten Funktionsmuster wird deshalb verzichtet. In der Tabelle 1 werden die zwei untersuchten Systeme vorgestellt, welche bereits zur Anwendung empfohlen werden können. Alle verwendeten Komponenten (mit Ausnahme des am Schluss beschriebenen Versuchsreglers) sind im Handel erhältlich. Referenz SW LW Standort Grafstal ZH Schötz LU Gebäudetyp EFH, einseitig ang. Holztafel-Leichtbau EFH, alleinstehend Holztafel-Leichtbau Wärme-Gewinn-Verhältnis γ Wärmequelle für Heizung Erdwärmesonde Umgebungsluft Wärmequelle für bereitung Erdwärmesonde Gebäudeabluft für Heizung bei B0/W35 bei A7/W35 für bereitung bereitung 4.9 kw / COP=4.6 gleiche WP bei B0/W kw / COP=2.9 Beistellboiler, alternativ zur Heizung geladen 7.2 kw / COP 4.0 separate WP bei A20/W kw / COP=2.45 separater nboiler

2 Wärmespeicher keiner keiner mit T vor / T rück [ C] 34 / / 30 Thermostatventile keine keine Abluftwärmenutzung keine für -WP Zuluft Mauerventile Mauerventile Steuerung / Regelung für Heizung konventioneller 2-Punktregler konventioneller 2-Punktregler und neue Konzepte Energiebezugsfläche [m 2 ] Heizenergiebedarf nach SIA 380/1 [MJ/m 2 a] Wärmeleistungsbedarf n. SIA 384/2 [kw] Minergiestandard erfüllt erfüllt Tabelle 1: Untersuchte nheizungssysteme mit, Die aus preislichen Gründen einfachen hydraulischen Schaltungen mit direkter Einbindung der in den Heizkreislauf ohne Wärmespeicher, Wärmespeicherladepumpen und Mischventile können dem Bild 1 entnommen werden. Während das System SW mit einer kontrollierten Lüftung und Wärmerückgewinnung durch den separaten nboiler ausgerüstet wurde, hat man beim System LW aus Komfortgründen erst nachträglich im Erdgeschoss eine mechanische Lüftung mit Wärmerückgewinnung eingebaut. Abluft Bad Mauerventil Abluftventilator Bad Abluft Bad Mauerventil Abluft- Küche Mauerventil Abluftventilator Sep. WC Einzelraumlüftungsgerät Sole/Wasser- Heizung Beistell- Boiler Abluft- Waschküche Abluft- Boiler Luft / Wasser Heizung Elektrizität Kaltwasser Kaltwasser Elektrizität Bild 1: Hydraulische Schaltung der beiden Anlagen. Links: Systems SW (Grafstal) mit alternativer Heizung und Beistellboilerladung durch die gleiche, rechts Systems LW (Schötz) mit separater Heizungswärmepumpe und mit Gebäudeabluft als Wärmequelle [Bild aus Schlussbericht]. 2

3 Messergebnisse Die Messergebnisse an den beiden Versuchsobjekten gemäss der Tabelle 1 können durch drei Kennzahlen beschrieben werden. Die entsprechenden Bilanzgebiete sind im Bild 2 dargestellt. JAZ 1 WNG 2 Wärmequelle WQ COP WP Speicher (Heizung) SP Zusatzheizung ZH Umgebungsu. Solarwärme US Verteilung Lüftung und Heizung VLH WRG speicher und Verteilung WSV SNG 3 Bild 2: Bilanzgebiete für die Kennzahlen gemäss den Gleichung (1) bis (3). Die üblicherweise angegebene Jahresarbeitszahl der nanlage JAZ Q WP Q SP (1) E WP E WQ E SP ist das über ein ganzes Jahr gebildete Verhältnis aus der von der abgegebenen Wärme Q WP abzüglich der Wärmeverluste allfälliger Speicher des Wärmeverteilsystem Q SP zu der im Bilanzgebiet 1 des Bildes 2 zugeführten elektrischen Energie (elektrische Energie für die E WP + elektrische Energie für die Sole- oder Umgebungsluftumwälzung E WQ + elektrische Energie für eine allfällige Speicherladepumpe E SP ). Für einen Vergleich mit Kesselheizungen ist auch die Wärme aus einer allfällige Zusatzheizung und die dafür aufzuwendende elektrische Energie E ZH gemäss dem Bilanzgebiet 2 des Bildes 2 massgebend. Weiter können auch Kesselheizungen mit Solaranlagen und Zuluftvorwärmung durch Erdregister ausgerüstet werden. Man erhält damit den Wärmeerzeugungsnutzungsgrad WNG zu: WNG Q WP Q SP Q ZH Q US E WP E WQ E SP E ZH E US (2) Für den Verbraucher ist letztlich entscheidend, welche Energie er für seine im Raum oder im verteilte Nutzwärme aufwenden muss. Er kann die Verlustwärmen der Teilsysteme zur Heizwärmeverteilung und zur Luftumwälzung ausserhalb des isolierten Wohnbereichs Q VHL nicht nutzen. Im Allgemeinen ebenfalls nicht nutzbar sind die Wärmeverluste des boilers und des verteilsystems (Bereitschaftsverluste!) Q WSV. Im Systemnutzungsgrad SNG nach der Gl. (3) werden diese Wärmeverluste als nicht nutzbar angesehen (ergibt ungünstigsten, tiefsten Wert). Weiter ist für das Gesamtsystem eine allfällige Wärmerückgewinnung 3

4 aus der Abluft Q WRG zu berücksichtigen. Mit den entsprechenden zusätzlichen Aufwand an elektrischer Energie (E VHL, E WSV und E WRG ) erhält man: SNG Q WP Q SP Q ZH Q US Q VHL Q WSV Q WRG E WP E WQ E SP E ZH E US E VHL E WSV E WRG (3) Dieser Nutzungsgrad des Gesamtsystems mit Wärmeverteilung und Bereitschaftsverlusten ist nicht zu verwechseln mit dem bei Kesseln häufig angegebenen Kesselnutzungsgrad, der nur das Teilsystem Kessel als Wärmeerzeugungselement analog zum Wärmeerzeugungsnutzungsgrad nach der Gl.(2) berücksichtigt! 6 JAZ, Nutzungsgrad Jahresarbeitszahl (1) Nutzungsgrad Wärmeerzeugung (2) Nutzungsgrad nach Wärmeverteilung (3) 0 SW Heizung SW LW Heizung LW Bild 3: Vergleich der Ergebnisse der untersuchten Systeme für die Raumheizung und für die bereitung für Mai 1999 bis April Legende zu den Systemen SW und LW in der Tabelle 1. Wie aus dem Bild 3 hervorgeht, schneidet das System Sole-Wasser (SW) energetisch sowohl bei der Raumheizung wie auch bei der bereitung deutlich besser ab als das System Luft-Wasser (LW). Beim System LW fällt die schlechte energetische Effizienz der bereitung trotz der Abluftwärmenutzung besonders enttäuschend aus. Bei der Kleinwärmepumpe für die separate bereitung ist zwar ein etwas geringerer Gütegrad zu erwarten. Hier besteht trotzdem noch ein erheblicher Verbesserungsbedarf! Ebenfalls auffallend sind die grossen Bereitschaftsverluste bei der verteilung beider Systeme. Sie äussern sich im grossen Unterschied zwischen dem Wärmeerzeugungsnutzungsgrad und dem Nutzungsgrad nach der verteilung. Auch hier besteht Verbesserungspotential. Während der Versuchsperiode wurde auch der Luftwechsel in den beiden Gebäuden durch Tracergasmessungen detailliert untersucht. Während die Räume des Systems SW mit der kontrollierten Einzelraum-Lüftung gleichmässig geringe CO 2 - Konzentrationen aufwiesen, erwies sich das Weglassen einer kontrollierten Lüftung in der ersten Heizperiode beim System LW als schlecht. Durch die dichte Bauweise der Gebäudehülle kam es zu überhöhten CO 2 Konzentrationen. Durch den nachträglichen 4

5 Einbau einer mechanischen Lüftung konnte die Luftqualität erheblich verbessert werden. Neue regelungstechnische Konzepte Trotz kostengünstiger direkter Einbindung der in den Heizkreislauf (ohne Speicher, Ladepumpe und Mischventil) vermochten alle untersuchten Regelungskonzepte die geforderten Komfortansprüche zu befriedigen. Beim System LW wurde der konventionelle rücklaufgeführte Zweipunktregler mit Raumtemperaturfühler (ZPR) im Laufe der Heizsaison 99/00 durch zwei Versuchssteuerungen und einen Versuchsregler nach neuen Konzepten ersetzt. Bei diesen fortgeschrittenen Lösungen wurde aus Kostengründen und aufgrund der bekannten Probleme bei der Wahl des Referenzraums generell auf eine Messung der Raumtemperatur verzichtet. Es wurden dabei folgende Konzepte realisiert: 1. Energiekennlinenbasierte Steuerung (EKS). Diese reagiert nur auf die Aussentemperatur und wurde im Rahmen des BFE-Forschungsprojekts Pulsbreitenmodulation für Kleinwärmepumpenanlagen bereits erprobt. Näheres dazu in Rubrik Berichte. 2. Modellbasierte Steuerung mit Voraussage der Aussentemperatur (MBS). Hier wird der Wärmebedarf aufgrund eines Modells des nheizungssystems und einer Voraussage der Aussentemperatur in den nächsten 24 Stunden aufgrund von Aussentemperaturmessungen der vergangenen 24 Stunden errechnet. Auch diese Variante wird in Rubrik Berichte detaillierter vorgestellt. 3. Beim beobachterbasierten Regler (BBR) wird nebst der Aussentemperatur auch die Rücklauftemperatur des Heizungskreislaufs am Eintritt in die als Ersatz für den zu umgehenden Raumtemperaturfühler verwertet. Die Berechnung des Wärmebedarfs erfolgt ebenfalls aufgrund eines Modells des nheizungssystems mit automatisch identifizierten Parametern. Bei den drei neuen Steuerungs- und Regelungskonzepten erfolgt die Zufuhr der Heizwärme durch Pulsbreitenmodulation. Bei dieser wird der für 24 Stunden berechnete Heizwärmebedarf in möglichst wenig Betriebsperioden ( Wärmezufuhrpakete ) zugeführt. Dauer und zeitliche Verteilung dieser Betriebsperioden über den Tag erfolgt mit optimaler Berücksichtigung von Sperrzeiten und Tarifstruktur. (Näheres in Rubrik Berichte.) Trotz fehlendem Raumtemperaturfühler und fehlendem Wärmespeicher konnte der geforderte Wohnkomfort auch mit diesen neuen Konzepten aufrecht erhalten werden. Ein gutes Mass für die Regelgüte ist die Standardabweichung der Raumtemperatur vom Sollwert. Da die jeweiligen Messperioden ein unterschiedliches Aussentemperaturverhalten aufwiesen, muss die Standardabweichung der Raumtemperatur auf die Standardabweichung der Aussentemperatur in der jeweiligen Messperiode bezogen werden. Diese relative Standardabweichung vom Sollwert der Raumtemperatur wird im Bild 4 für die untersuchten Konzepte veranschaulicht. Gegenüber der konventionellen Zweipunktregelung mit Raumtemperaturfühler schneiden die modellbasierte Steuerung und die beobachterbasierte Regelung ohne Raumtemperaturfühler etwa gleich gut und die energiekennlinienbasierte Steuerung etwas schlechter ab. 5

6 relative Standardabweichung ZPR EKS MBS BBR Bild 4: Vergleich der im System SW mit den unterschiedlichen Reglern erreichten relativen Standardabweichungen vom Sollwert der Raumtemperatur. ZPR: konventioneller Zweipunktregler mit Raumtemperaturfühler (Mittelwert aus zwei Messperioden). EKS, MBS und BBR neue Regelungskonzepte gemäss Text ohne Raumtemperaturfühler. Die verallgemeinerbaren Schlüsse aus den Phasen 1 bis 3 dieses Projekts werden als Anleitung für Planer von nheizungssystemen in einem technischen Handbuch zusammenfassend dargestellt. Näheres dazu in und Dr. Martin Zogg Forschungsprogrammleiter Umgebungswärme, Abwärme, WKK (UAW) des Bundesamts für Energie martin.zogg@bluewin.ch Ausführlicher Schlussbericht zu diesem BFE-Forschungsprojekt: Th.Afjei, W.Betschart, M.Bonvin, H.P.Geering, S.Ginsburg, P.Keller, E.Shafai, D.Wittwer, G.Zweifel: Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit, Phase 3 (Messungen an drei Funktionsmustern, Benutzereinfluss, Vergleich verschiedener Heiz- und Regelkonzepte), Schlussbericht, Bundesamt für Energie Download in Rubrik Berichte Bestellung der schriftlichen Fassung bei ENET, Egnacherstrasse 69, 9320 Arbon, , enet@temas.ch 6