Effizienter Betrieb einer Fußbodenheizung mit Luft-Wasser-Wärmepumpe (Fallbeispiel)

IM AUFBAU

Dieses Fallbeispiel nutzt das FHEM-Modul LUXTRONIK2. Das Modul und die zugehörige Steuerung Luxtronik 2.0 wird auf dieser WIKI Seite beschrieben.

Einleitung

Die folgenden Punkte sind für den ökonomischen Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ausschlaggebend:

1. Niedrige (Soll)Temperaturen im Heizsystem. Dadurch muss die Wärmepumpe das Kältemittel weniger komprimieren und es sinkt der prozessbedingte Energieverlust (Prozessarbeit).
2. Für die Warmwasserbereitung: Ausnutzung der Tageszeiten mit warmen Außentemperaturen und Vermeidung des Kältetiefs zum Sonnenaufgang.
3. Nutzung der Luftabtauung, anstatt Abtauung durch Kreisumkehr.
4. Vermeidung von ständigen Kompressorstarts und kurzen Laufzeiten.

Grundlage jeder Optimierung ist dabei ein guter hydraulischer und thermischer Abgleich der Heizwasserverteilung und eine genaue Einstellung der Heizkurve, welche die Solltemperatur anhand der Außentemperatur ermittelt. Beides ist sowohl von den Bedürfnissen und dem Nutzungsverhalten der Bewohner als auch von der Dämmung des Hauses abhängig.

Bei Wärmepumpen, die nicht über einen leistungsgeregelten Verdichter verfügen, kann man zusätzlich die Einzelraumregler (ERR) und das Überströmventil der Wärmepumpe außer Betrieb nehmen und damit alle Heizkreise als ein „Heizkörper“ betreiben. Die Temperaturregelung erfolgt in diesem Fall allein durch die Solltemperatur und teilweise auch durch das „Selbstregelverhalten“ einer Fußbodenheizung. Diverse Foreneinträge (z.B. [1]) erzählen von bedeutenden Einsparungen durch Absenken der Solltemperatur und Wärmepumpen-freundlichen Betriebszyklen (lange Taktzeiten).

Grundeinstellung des Heizungssystems

Hydraulischer Abgleich einer Fußbodenheizung

Sowohl der hydraulische als auch der thermische Abgleich erfolgen durch die Einstellung der Drosselventile an den Heizungsverteilern. In einem ersten Schritte, dem hydraulischen Abgleich, stellt man die Drosselventile so ein, dass das Wasser in allen Heizkreisen die gleiche Durchlaufzeit hat. Der längste Kreislauf wird am wenigsten gedrosselt. Die Durchflüsse der anderen Heizkreise werden mit Hilfe der Drosseln im gleichen Verhältnis wie die Längen eingestellt. D.h. 90% Länge = 90% Durchfluss, halbe Länge = halber Durchfluss, etc. Üblicherweise entspricht diese Einstellung der Vorgabe durch den Heizungsplaner. Man kann sich jedoch auch empirisch an die richtige Einstellung herantasten.

Für den Abgleich werden alle Stellantriebe von den Ventilen entfernt, so dass sie komplett offen sind. Die Heizungspumpe muss natürlich laufen. Wenn Heizkreise den erforderlichen Durchfluss nicht erreichen, z.B. weil sie weiter entfernt, in einem höheren Stockwerk liegen, dann wird der Durchlauf der anderen Heizkreise gedrosselt. Eventuell muss auch die Heizungspumpe schneller laufen. Die meisten Wärmepumpen haben einen minimalen, optimalen und maximal Durchfluss. Der optimale Durchfluss ist der energiesparenste für die Wärmepumpe selbst. Die Spreizung zwischen Rück- und Vorlauf in der Wärmepumpe liegt dann meist zwischen 5-7 K.

Fehlen an den Drosseln entsprechende Durchflussanzeigen kann man auch die Umdrehungen der Drossel zählen. Hierbei ist eine zusätzliche Überprüfen der Durchlaufzeiten mit einem Infrarot-Thermometer sinnvoll. Man erzeugt durch den Start der Wärmepumpe oder der Heizungspumpe einen „Heißwasserfront“ und misst für jeden Heißkreislauf die Zeit, die es braucht, bis diese Front den Heizkreislauf durchwandert hat und es zu einer merklichen Temperaturerhöhung am Ende des Heizkreislaufes kommt. Diese Durchlauf-Zeit sollte für alle Heizkreisläufe gleich sein.

Thermischer Abgleich

Der hydraulische Abgleich ist nur der erste Schritt. Abgesehen davon, das nicht alles so gebaut wie geplant wird, gibt es Zimmer, in denen dauerhaft eine höhere oder niedrigere Temperatur gewünscht ist (Bad, Schlafzimmer). Zudem ist der Wärmeverlust jedes Zimmers unterschiedlich und von vielen Einflussfaktoren abhängig - insbesondere der Lage im Gebäude und im Gelände. Dies kann nur sehr begrenzt während der Heizungsplanung berücksichtigt werden.

Für den Abgleich sollten in jedem Zimmer Thermometer installiert und über längere Zeit (am besten elektronisch) der Temperaturverlauf aufgezeichnet werden. Ziel ist es, durch eine schrittweise Öffnung oder Schließung einzelner Drosseln in allen Zimmer möglichst gleiche (oder gleich höhere oder niedrigere) Temperaturen zu erreichen. Je nach Ausgangslage dauert das mehrere Wochen. Die Stellantriebe dürfen weiterhin nicht in Betrieb sein.

Wichtig!!! Beim hydraulischem und thermischem Abgleich des Heizungssytems werden die Temperaturunterschiede zwischen den Zimmern vermindert oder auch korrekt eingestellt. Die Einstellung der tatsächlichen Zimmertemperaturen erfolgt über die Heizkurve.

Einstellung der Heizkurve

Parallel zum thermischen Abgleich erfolgt die Einstellung der Heizkurve. Bei Wärmepumpen erfolgt die Heizungsregelung über die Rücklauftemperatur. Deren Solltemperatur wird von der Steuerung über die Außentemperatur mit Hilfe einer Formel mit zwei einstellbaren Konstanten, der Heizkurve, ermittelt. Das LUXTRONIK2-Modul in FHEM kann bei der exakten Berechnung der Konstanten unterstützten.

Dafür muss bei einer tiefen und bei einer höheren Außentemperatur (z. B. -7°C und +7°C) die korrekte Solltemperatur ermittelt werden, die zu der gewünschten Innentemperatur führt. Ideal sind bewölkte, windarme Tage an denen nur die Außentemperatur auf das Gebäude wirkt. Wenn es zudem nur geringe Temperaturänderungen zwischen Tag und Nacht gibt und dies auch über mehrere Tage anhält, dann hat man gute Chancen genau die richtige Solltemperatur zu ermitteln.

Auch hier fängt man mit der bereits existierenden Einstellung der Heizkurve an. Es darf keine Nachtabsenkung eingestellt sein. Am besten macht man sich eine Tabelle, in der man die jeweilige Außentemperatur, die sich einstellende Solltemperatur und die Innentemperatur der Räume aufnimmt. Je nach Innentemperatur hat man entweder die optimale Solltemperatur gefunden oder man kann ihre tatsächliche Höhe zumindest etwas besser abschätzen.

Kurzfristig Heben und Senken lässt sich die Solltemperatur durch die Direktabsenkung oder -erhöhung am Gerät oder in FHEM durch den Befehl

set <device> returnTemperatureSetBack Temperatur

Das LUXTRONIK2-Modul berechnet die korrekten Parameter (Konstanten) der Heizkurve über den Befehl

get <device> heatingCurveParameter Aussentemp1 Solltemp1 Aussentemp2 Solltemp2

Die beiden Außentemperaturen müssen möglichst weit auseinander liegen. Der Befehl ermittelt die neuen Heizkurvenparameter heatingCurveEndPoint und heatingCurveOffset und zeigt auch an, welche Solltemperaturen derzeit bei den beiden Außentemperaturen eingestellt werden. Die neuen Heizkurvenparameter setzt man dann am besten auch durch FHEM, da das Modul eine Genauigkeit von 0.1 zuläßt. Direkt an der Steuerung können die Parameter nur in 0.5er Schritten einstellt werden.

Dauerhaftes Entfernen der Einzelraumregler (ERR) bei nicht leistungsgeregelten Wärmepumpen

Ein Betrieb von nicht leistungsgeregelten Wärmepumpen zusammen mit ERR ist vom Regelverhalten her sehr problematisch.

Diese Art von Wärmepumpen kann nur ihre volle Heizleistung abgeben und kennt keine Zwischenwerte. Sie erfordert einen Mindestdurchfluss im Wärmetauscher, ansonsten wird der Kältemittelkreislauf zu heiß und die Wärmepumpe schaltet mit einem Hochdruckfehler ab. Die Wärmepumpe verfügt deshalb im Heizkreislauf über ein druckgeregeltes Überströmventil, welches das Heizungssystem umgehen und den Vorlauf direkt mit dem Rücklauf verbinden kann. Dadurch ist der Mindestdurchfluss im Wärmetauscher immer sichergestellt.

Dieser Aufbau ist jedoch alles andere als optimal. Haben im Normalbetrieb der Heizung mehrere ERR ihren Heizkreis abgesperrt (gewünschte Zimmertemperatur erreicht) so unterschreitet der Durchfluss über das Heizungssystem relativ schnell den Mindestwert. In diesem Fall öffnet das Überströmventil. Ein Teil des (warmen) Heizwassers strömt direkt vom Vorlauf zum Rücklauf und vermischt sich dort mit dem (kalten) Rücklauf aus den noch offenen Heizkreisen. Dadurch kommt es aber ungewollt zu einer schnellen Erhöhung der Rücklauftemperatur. Die Wärmepumpe arbeitet in einem thermischen Kurzschluss und erwärmt sich hauptsächlich selbst. Die gemischte Rücklauftemperatur erreicht schnell den Sollwert und die Wärmepumpe schaltet ab, obwohl aus den offenen Heizkreisen noch kaltes Wasser zurückströmt und die entsprechenden Zimmer noch kalt sind. Sobald die Wärmepumpe steht, fällt die Rücklauftemperatur schlagartig, da nun nur noch das (ungemischte) Wasser aus den offenen Heizkreisen am Sensor vorbeiströmt.

Als Folge kommt es zu wiederholtem kurzen Anspringen der Wärmepumpe und darauffolgenden systembedingten Pausen (das EVU erlaubt max. 3 Starts pro Stunde) ohne das einige Räume je ihre gewünschte Temperatur erreichen. Klagt mein sein Leid dem Heizungsmonteur, so erhöht der meist einfach den Sollwert der Rücklauftemperatur mit dem Ergebnis, dass sich nichts ändert, die Wärmepumpe durch die vielen Starts schnell verschleißt und die Stromrechnung durch die Ineffizienz schnell doppelt so hoch ist wie ursprünglich geplant.

Während der Phase der Grundeinstellung wird die Heizung ohne die Stellantriebe bzw. ohne ERR betrieben und es sind immer die gesamten Heizkreisläufe in Betrieb. Bei einem korrekt abgeglichenen und ausgelegten Heizsytem sind die Heizzyklen der Wärmepumpe sehr lang, meist mehrere Stunden. Die Rücklauftemperatur in der Wärmepumpe steigt nur langsam an und fällt nach Ende des Heizzyklus auch nur langsam wieder ab, da immer der gesamte Estrich im Haus aufgeheizt wird und diese Wärme lange speichert. Dies ist die optimale Betriebsform einer Wärmepumpe.

Es ist deshalb empfehlenswert, die ERR von mindestens 2/3 aller Heizkreise dauerhaft außer Betrieb zu nehmen. Wenn dadurch der Mindestdurchfluss sichergestellt werden kann, kann man das Überströmventil auch komplett schließen. Es ist zumeist etwas undicht und verschlechtert damit die Effektivität des Heizsystems. Normalerweise kann man dadurch nichts beschädigen, da die Wärmepumpe im Fehlerfall einen Hochdruckfehler auslöst und stehen bleibt.

Geändertes Regelverhalten bei Betrieb ohne ERR

Durch den Wegfall der ERR kann die Regelung nicht mehr gezielt auf die Aufheizung einzelner Zimmer, z.B. durch Sonneneinstrahlung, reagieren.

Eine Fußbodenheizung dämpft diese Temperaturunterschiede jedoch bereits durch ihr physikalisches Wirkprinzip. Die Wärmeabgabe eines Heizkörpers wird durch den Temperaturunterschied zwischen Heizkörper (hier der Fußboden) und Raumluft bestimmt. Aufgrund der geringen Vorlauftemperaturen wird bei einer Fußbodenheizung dieser Temperaturunterschied auch maßgeblich durch die Raumtemperatur beeinflußt. Die Fußbodenheizung in wärmeren Räumen gibt merklich weniger Wärme ab als in kalten Räumen. Das System reguliert sich also teiweise selbst. Dieser Effekt ist um so größer, je niedriger die Vorlauftemperaturen sind.

Prinzipiell können in wenigen einzelnen Räumen aber durchaus die ERR in Betrieb bleiben.

AIT bietet auch die Raumbedieneinheit RBE an, welche direkt an die Luxtronik-Steuerung angeschlossen wird. Diese mißt den Abstand der Zimmertemperatur zur gewünschten Solltemperatur und hebt oder senkt dann über einen Faktor den Sollwert der Rücklauftemperatur in der Wärmepumpe.

In FHEM kann man dies natürlich auch ohne teure Hardware tun. Zudem können die Zimmertemperaturen mehrerer Räume berücksichtigt werden. Man ermittelt dafür jeweils den Abstand (Delta) der aktuellen zur gewünschten Zimmertemperatur, multipliziert diesen mit einem Faktor (üblicherweise zwischen 1 und 5) und verändert die Rücklaufsolltemperatur um diesen Wert mit Hilfe des Befehls:

set <device> returnTemperatureSetBack Temperaturunterschied

Der Befehl läßt Werte von -5 K bis +5 K zu. Die Berechnung des Stellwertes über einen Faktor muss nicht linear erfolgen, auch ein quadratische Formel ist möglich. Der Stellwert von -5 K kann dann z.B. bereits bei einer Abweichung von +1 K erreicht werden.

$setBack = -int( 10 * ( ($deltaTemp*1.45+1)**2 - 1 ) + 0.5 ) / 10;

Temperaturabweichung	+0.1	+0.2	+0.3	+0.4	+0.5	+0.6	+0.7	+0.8	+0.9	+1.0
Stellwert	-0.3	-0.7	-1.1	-1.5	-2.0	-2.5	-3.1	-3.7	-4.3	-5.0

Optimierung der Luftabtauung

Der Verdampfer einer Luft-Wasser-Wärmepumpe muss bei niedrigen Außentemperaturen regelmäßig abgetaut werden. Dies erfolgt entweder energiesparend durch die Umgebungsluft oder die Abtau-Energie wird über eine Kreislaufumkehr dem Heizungssystem entnommen und vermindert damit die Energieeffizienz des Systems.

Wahl des optimalen Temperaturbereichs

Die Luftabtauung wird über zwei Kennwerte gesteuert. Der Wert heatSourceDefrostAirThreshold definiert den Wert der Luft-Eingangstemperatur oberhalb der mit Luft abgetaut wird. Der Wert heatSourceDefrostAirEnd definiert die Luft-Ausgangstemperatur bei der der Verdampfer als abgetaut gilt und die Luftabtauung beendet wird. Diese Werte schwanken bei jedem Wärmepumpentyp, sind werksseitig meist aber auf 7°C und 5°C eingestellt. Dies nutzt nicht den tatsächlich verfügbaren Bereich für die Luftabtauung. Sinnvolle Wert sind jedoch stark von der Einbausituation abhängig und müssen empirisch bestimmt werden.

Um korrekte Messergebnisse sicherzustellen, sollte zuerst kontrolliert werden, dass der Sensor zur Bestimmung der Luft-Eingangstemperatur auch tatsächlich im Luftstrom sitzt und nicht bei der Montage hinter eine Verkleidung oder Isolierung gerutscht ist.

Aufgrund der Ungenauigkeit der Sensoren sollte der Wert heatSourceDefrostAirEnd immer deutlich unter dem Wert heatSourceDefrostAirThreshold und im ausreichenden Abstand zum Gefrierpunkt 0°C liegen. Der Abstand 2 K braucht nur geringfügig verändert zu werden. Der Abtand zum Gefrierpunkt kann dagegen auch knapp über +1°C liegen. Als praktikabel haben sich zum Beispiel die Werte

• heatSourceDefrostAirThreshold = 2.7°C und
• heatSourceDefrostAirEnd = 1.3°C

erwiesen.

Wichtig!!! Diese Werte müssen empirisch ermittelt werden. Der Abtauvorgang ist erst beendet, wenn aus dem Entwässerungsschlauch am Verdampfer tatsächlich kein Wasser mehr fließt. Liegt der heatSourceDefrostAirThreshold zu niedrig, dann erreicht die Wärmepumpe nicht mehr die Temperatur heatSourceDefrostAirEnd. Die Luftabtauung wird dann nach einem Timeout abgebrochen und eine Abtauung durch Kreislaufumkehr durchgeführt. Der Start der Luftabtauung war für diesen Fall ineffizient und sollte vermieden werden.

Der letzte Abtauvorgang wird im Wert heatSourceDefrostLast festgehalten. Die letzte abgebrochene Luftabtauung im Wert heatSourceDefrostLastTimeout. Beide Werte sollten genutzt werden, um die korrekte Funktion der Luftabtauung bei den eingestellten Werten zu überprüfen.

Heizzyklen im Bereich der Luftabtauung

Die Luxtronik hat eine unerfreuliche Bug im Bereich der Luftabtauung.