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Heizungssystem – Fazit und Ausblick

Fazit und Ausblick:

Obwohl immer noch nicht alle Anlagenteile komplett und fehlerfrei laufen, konnte die Schule weitestgehend beheizt werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass zukünftig auch die Schwachstellen in der Beheizung behoben werden können. Dabei kann es immer wieder im Einzelfall zu kälteren Räumen führen – dies ist dann oft auch Folge von Fehlnutzung (Fenster bleiben über Nacht offen, Heizkörper werden trotz Winter auf „aus“ gestellt). Konnte eine Gasheizung solche Fehler leicht ausgleichen (mit erheblichem Energieaufwand), tun sich Wärmepumpen mit ihren geringeren Vorlauftemperaturen schwer damit, einen unterkühlten Raum mal eben aufzuheizen. (Möglicherweise könnten mobile Ölradiatoren zur Not eingesetzt werden.)

Die Baukosten konnten im Wesentlichen gehalten werden – nur geringe Mehrkosten sind uns entstanden. Allerdings führt die weite Anfahrt unserer Kältetechnik-Firma (Wartung und Reparatur) wahrscheinlich immer wieder zu höheren Rechnungsbeträgen.

Durch die 30 kWp PV-Anlage konnte in etwa so viel Strom auf dem eigenen Dach produziert werden, wie in der Schule verbraucht wird. Dies geht nicht immer gleich auf, da es mal mehr oder weniger Sonnenstunden im Jahr gibt und auch die Winter unterschiedliche Heizenergie verursachen. Und natürlich haben wir im Sommer Einspeisung und im Winter Netzbezug – das lässt sich auch nicht vor Ort durch Speichertechnik lösen, sondern kann nur durch entsprechende Maßnahmen im Gesamtnetz ausgeglichen werden (z. B. Wasserstoff als Energieträger zur Speicherung).

Unsere selbst programmierbare Regelung ist allerdings noch im Aufbau, da dies seine Zeit braucht und wir uns dabei auf völligem Neuland befinden (so etwas gibt es sonst noch nicht). Dafür braucht es auch immer wieder Betriebsphasen, die wir messtechnisch erfassen und dann auswerten (dazu später mehr). Eine umfangreiche Bewertung ist sicherlich auch immer von einer persönlichen Warte aus unterschiedlich – dennoch kann man sagen, dass die Ziele weitestgehend erreicht wurden.

Wo stehen wir jetzt:

Bis auf Kleinigkeiten ist der Umbau abgeschlossen. Auf die Auszahlung (ca. 65.000 €) durch die BAFA warten wir noch (stimmt nicht mehr! 🙂 ). Die Heizungsregelung muss bisher noch händisch auf die Wetterbedingungen und Nutzungszeiten eingestellt werden. Zur nächsten Heizperiode soll die Neuprogrammierung so weit fortgeschritten sein, dass die Regelung dies weitestgehend übernimmt. In weiteren Schritten soll die Regelung noch weitere Funktionen erhalten, um so den Energieverbrauch weiter zu senken.

Was sind unsere Pläne:

• Bisher witterungsabhängige Regelung (gesetzliche Vorgabe?)
• Gleichzeitigen Betrieb von Wärmepumpen und Heizungspumpe vermeiden (da ungünstig)
• Kalender-Integration
• Wetter-App berücksichtigen
• Vorausschauender Betrieb
• Je nach Witterung unterschiedliche Betriebsmodi
• Eigenen Strom mehr nutzen
• Verschlechterung der Betriebswerte erfassen
• Störungen melden, Nachricht senden

Dazu:

• Wärmespeicherung im Puffer anzeigen
• Berechnung des Wärmebedarfs zur Aufheizung je nach Witterung errechnen
• Wärmeverluste je Wetter erfassen
• COP der Wärmepumpen in Abhängigkeit von Spreizung, Außentemperatur, Speicher-Solltemperatur, bei gleichzeitigem Betrieb mit Heizungspumpe erfassen
• Die Regelung nach Betriebszeiten, COP und Eigennutzung von Solarstrom optimieren

Kühlen?

Wärmepumpen und Klimageräte können auch kühlen, was bei zunehmenden Hitzewellen im Sommer immer notwendiger wird. Dabei gilt, dass die Anlagen grundsätzlich alle in der Lage sind, auch zu kühlen. Allerdings taucht dabei ein neues Thema auf, denn es fällt Kondensat (Wasser) an. Dies wird in Klimageräten aufgefangen und durch Kondensatpumpen abgeführt. Bei Flächenheizkörpern ist das in der Regel kein Problem, da es kein Kondensat gibt. Bei Heizkörpern kann dies allerdings zum Problem werden, da bei einer Heizkörpertemperatur unter 18 °C sich Kondensat bilden kann, welches dann am Heizkörper abtropft. 18 °C im Heizkörper bringt aber nicht genug Kühlung für die Räume – die Wärmepumpe könnte die Heizkörper durchaus tiefer abkühlen, so dass es für den Raum reicht. Das braucht aber dann neue Wege, z. B. andere Heizkörper und anderes. Da dies aber gerade im Altbau der häufigste Fall sein dürfte, lohnt sich hier die Forschung nach Lösungen, zumal ein Einbau zusätzlicher Klimageräte teuer, nur raumweise und wenig nachhaltig ist.

Was ist noch möglich?

Dazu vielleicht ein Treffen mit Firma Ude – hier wäre auch die Frage nach den neuesten Anlagen von ihm für Wohnhäuser im Altbau sinnvoll als Empfehlung.

Erkenntnisse über die Betriebsabläufe

Grundsätzlich kann man sehen: Mit höheren Heiz- und Pufferspeichertemperaturen sinkt der COP (Wirkungsgrad). Des Weiteren sinkt der Wirkungsgrad, wenn die Lufttemperaturen draußen sinken, und ab Temperaturen unter 0 °C sinkt dabei dann auch die Wärmeleistung von ca. 33 kW auf 20 kW und weniger. Darüber hinaus können wir messen, dass bei einem Absinken der Temperaturspreizung (Vorlauf und Rücklauf zwischen Wärmepumpen und Pufferspeicher) der COP ebenfalls absinkt. Dies wird auch durch Aussagen in der Literatur bestätigt.

Da unsere Wärmepumpen nur 5 °C Spreizung können und diese bei konstantem Volumenstrom des Heizungswassers und absinkender Leistung ab 0 °C Außenluft sich weiter reduziert, stellen sich gerade diese Betriebszustände als besonders ungünstig dar. Die Problematik mit der geringen Spreizung haben wir auch an anderer Stelle schon vertieft – sie wird bei einer Regelungs-Einstellung mit konstantem Volumenstrom noch verstärkt. Diese Problematik haben andere Wärmepumpen in der Regel nicht, da sie mit variablen Volumenströmen geregelt werden. Hierzu eine Aussage des zuständigen Mitarbeiters vom Hersteller unserer Wärmepumpen:

Anfang der weitergeleiteten Nachricht:

Von: Recknagel, Mike
Betreff: AW: Freie Schule Heckenbeck – Nachfrage
Datum: 15. April 2025 um 17:03:12 MESZ
An: Susanne Kenntemich <gf@aktives-lernen-und-leben.de>

Sehr geehrte Frau Kenntemich,

Ein Technikereinsatz ist nicht vorgesehen – die notwendigen Arbeiten können auch von Mitarbeitern der Firma Naturenergieladen durchgeführt werden.
Wenn Sie auf einen Vororttermin aus unserem Hause bestehen, können Sie diesen kostenpflichtig über die Firma Naturenergieladen einsteuern.

Zu den Wärmepumpen:
Ich stelle Ihre Messergebnisse erstmal in Frage. Vermutlich handelt es sich um Liter pro Stunde.
Eine einzelne Wärmepumpe kann durchaus in der Drehzahl variieren – auch der bei Ihnen verbaute Typ. Nur haben Sie eine Gruppe von 3 Geräten, die aufgrund der hydraulischen Anbindung an Ihr System nicht mit unterschiedlichen Volumenströmen arbeiten können.
Wenn eine Wärmepumpe in dieser Konstellation weniger fördert, bekommt sie von den Nachbarn einen höheren Druck auf die Ausgangseite, und die Pumpen schwingen sich auf. Das führt zu einem miserablen Regelverhalten und letztendlich zu Strömungsfehlern und Abtauproblemen.
(Um 11 kW Wärmeleistung bei einer für Wärmepumpen typischen Spreizung von 5 Kelvin zu übertragen, benötigen Sie einen Volumenstrom von 31,5 l/min. Das sind bei 3 Wärmepumpen 94,5 l/min bzw. 5670 l/h.)

Somit sollten die bei Ihnen eingestellten Werte durchaus passen.

Mit freundlichen Grüßen
Mike Recknagel
Technisches Kompetenzzentrum

Von: Susanne Kenntemich
Gesendet: Dienstag, 15. April 2025 10:28
An: Recknagel, Mike
Betreff: Freie Schule Heckenbeck – Nachfrage

Sehr geehrter Herr Recknagel,

in der vergangenen Woche waren zwei Mitarbeiter vom NaturEnergieLaden bei uns und haben mit Ihnen telefoniert.
Für die Zentralregelung der Klimageräte werden sie noch einmal nach Heckenbeck kommen.

Eventuell könnte bei dem kommenden Termin noch eine Einstellung bei den Wärmepumpen vorgenommen werden. Dazu hätte ich gerne Ihre Einschätzung.

Über die Messungen der TA-Regelung haben wir festgestellt, dass der Volumenstrom konstant bei ca. 6.000 l/h liegt, auch bei Minus-Temperaturen im Außenbereich.
Wir haben erfahren, dass die meisten Wärmepumpen bei niedrigen Außentemperaturen mit dem Volumenstrom heruntergehen, da die Wärmeleistung geringer wird.
Die Frage ist, ob eine Regelung des Volumenstroms durch geänderte Einstellungen auch bei unseren Wärmepumpen möglich ist? Dadurch könnte ggf. die Spreizung (Delta T) zwischen Vor- und Rücklauf verbessert werden.

Über eine Rückmeldung würde ich mich sehr freuen.

Ich wünsche Ihnen schöne Ostertage.

Herzliche Grüße aus Heckenbeck

Dazu muss noch vermerkt werden, dass die hydraulische Anbindung bei uns genau so ausgeführt wurde wie vom Hersteller vorgegeben – auch entspricht sie dem typischen Vorgehen. Ob die Aussage, dass die 3 Wärmepumpen mit dem eingestellten konstanten Volumenstrom wirklich zutrifft, können wir nicht beurteilen. Sollte dies aber der Fall sein, so muss hier leider festgehalten werden, dass sie uns auf ihre Empfehlung hin eine Anlage eingebaut haben, die nicht richtig steuerbar ist und somit einen höheren Stromverbrauch hat als nötig. Besser wäre eine Anlage mit nur einer, aber leistungsstärkeren Wärmepumpe gewesen.

Aus diesem Gesamtbild ergibt sich folgende Überlegung:

Zum einen könnte eine Rücklaufanhebung zwischen Wärmepumpen und Pufferspeicher funktionieren und das Problem etwas entschärfen.
Zum anderen kann unsere Regelung mit entsprechenden Regelkreisen dennoch eine bessere Betriebsweise erzeugen, um so den Stromverbrauch zu senken.
Beides soll hier nun noch Thema werden.

Wir können festhalten:

• Die Betriebsweise, die üblicherweise bei Wärmepumpen angewendet wird (24/7 bei geringeren Vorlauftemperaturen), ist im Altbau mit Heizkörpern nicht optimal.
• Eine Betriebsweise wie sie eine Gasheizung bietet, ist mit Wärmepumpen über die komplette Heizperiode nicht machbar (tiefere Frosttemperaturen).

Also braucht es eine Regelung, die entsprechend der Wetterbedingungen, des Nutzerverhaltens und anderer Umstände unterschiedliche Heizprogramme fahren kann. Das stellt eine Regelung vor völlig neue Herausforderungen:

• Sie muss beim Wetter in die Zukunft schauen (min. 24 Stunden).
• Sie muss sich merken können, welche Leistungen durch die Nutzung gebraucht werden.
• Dann muss sie Daten sammeln und diese hinsichtlich des COP analysieren.
• Sie muss entscheiden, welche Betriebsweise sinnvoll ist, und die Anlage entsprechend steuern.

Genau dies entspricht in etwa der Anforderung, die wir möglichst gut mit unserer selbst programmierbaren Regelung plus der angehängten Datenbank umsetzen wollen. Dazu sollen, wie schon an anderer Stelle beschrieben, Werte ermittelt werden, eine Wetter-App integriert werden, um so eine gute Mischung aus den beiden Grund-Betriebsweisen für eine energieeffiziente Nutzung der Wärmepumpen zu ermöglichen.

Auch wäre eine Überwachung der Anlage mit einem Meldesystem an die zuständige Person sinnvoll – im Besonderen wegen Betriebsausfall oder ungewöhnlichem Absinken der Wärmepumpenleistung, welches möglicherweise auf Kältemittel-Leckage zurückzuführen wäre.

Darüber hinaus gibt es noch weitere Aufgaben im Umfeld der Anlage zu regeln: Eine PV-Anlage mit Stromspeicher richtig nutzen – das heißt den Eigenverbrauch des erzeugten Stromes optimieren. Mit Hilfe eines intelligenten Stromzählers (der weiß, wie teuer der Strom ist) die Möglichkeit nutzen, bei günstigen Tarifen die Batterie zu laden.

Uns ist klar, dass eine solche Regelung nichts für den Normalverbraucher ist. Unser Anspruch hat sich dahingehend entwickelt, durch die Datenanalyse Aussagen treffen zu können, welche Betriebsweisen Sinn machen und was es dabei zu berücksichtigen gilt (entsprechende Erfahrungen kommen an anderer Stelle noch).

Für die Zukunft ist es möglicherweise sinnvoll, eine KI zu entwickeln, die all diese Aufgaben in unserer „Heizungs-Wärmepumpen-Stromerzeugungs-Anlage“ regeln kann und dabei dann für jeden Anwendungsfall (Hausdämmung, Nutzerverhalten, geografische Lage und Wetterbedingungen) die Betriebsweise entwickelt, in der am wenigsten Strom verbraucht wird, beziehungsweise ein hoher Selbstverbrauch möglich wird und die geringsten Kosten entstehen.

Transfer Überlegungen zu Wohngebäuden

Besonders im Bereich der Gleichzeitigkeit in der Benutzung der Räume, dem notwendigen Lüftungsbedarf und den Nutzungszeiten bestehen deutliche Unterschiede. Somit ist der Einsatz zusätzlicher Klimageräte, wie in unserer Schule, für Wohngebäude eher nicht so sinnvoll.

Schlussbemerkungen:

Kommt später (wird ergänzt).

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