Home Ausbildung Ausbildung Elektroniker/-in für Gebäudesystemintegration (2)
Viele Elektrohandwerker sehen sich – im Zusammenhang mit einer zeitgemäßen Gebäudesystemintegration – mit der Problemstellung konfrontiert, »überschüssige« Energie aus der solaren Stromgewinnung möglichst effizient auf eine Wärmepumpe, einen Speicher und ein E-Auto aufzuteilen. Genau dies soll hier thematisiert werden.
Passend dazu erhielt die Redaktion der »de« eine Leseanfrage, mit der Bitte, die Funktionsweise einer Wärmepumpe zu beschreiben. Ironischerweise bezeichnen einige Hersteller Ihre Geräte intern als »Kühlgeräte«. Dieses Paradoxon ist darauf begründet, dass eine Wärmepumpe nach dem gleichen Prinzip wie ein Kühlschrank arbeitet.
Der Kreislauf, der den Innenraum eines Kühlgerätes abkühlt und außerhalb, meist auf der Rückseite, Wärme abgibt, besteht aus einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Verdampfer und einem Kapillarrohr (Bild 1). Gefüllt ist das hermetisch abgeschlossene System mit einer Kühlflüssigkeit. Diese Flüssigkeit hat einen sehr geringen Siedepunkt. Er liegt, je nach verwendeter Substanz, im negativen Celsius-Bereich. Der geringe Siedepunkt hat zur Folge, dass schon eine geringe Wärmezufuhr zu einer Verdampfung der Kühlflüssigkeit führt. Dieser Effekt wird mit Hilfe des Verdampfers (Bereich A) innerhalb des Kühlschranks genutzt.
Der Verdampfer ist ein Rohrwendel im Innenraum des Kühlgerätes durch den die Kühlflüssigkeit fließt. Die Abwärme der im Kühlschrank befindlichen Lebensmittel bringt die Flüssigkeit zum Sieden, wobei diese ihren Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig wechselt. Am Ende des Verdampfers kommt dann der Verdichter zum Einsatz. Dieser komprimiert die gasförmige Kühlflüssigkeit so sehr, dass diese wieder in den flüssigen Zustand übergeht.
Durch den Kompressionsvorgang entsteht Wärme, welche zum einen am Verdichter abgegeben wird und zum anderen durch die Kühlflüssigkeit aufgenommen wird. Die Flüssigkeit fließt nach dem Verdichter in den Verflüssiger (Bereich B), der die Wärme an die Umgebung abgibt.
Dem Ende des Verflüssigers schließt sich das Kapillarrohr an, das den Kreislauf wieder zum Verdampfer schließt. Beim Kapillarrohr handelt es sich um ein dünnes Rohr, welches als Expansionsorgan fungiert. Es leitet das flüssige Kältemittel zurück in den Verdampfer und sorgt dabei für eine Entspannung und nimmt der Flüssigkeit den Druck. Bei entsprechender Wärmeaufnahme wird es wieder gasförmig. Der Kreislauf beginnt von neuem. Die Leistung eines Kühlgerätes wird im einfachsten Fall mit einem Thermostat geregelt. In Abhängigkeit der gewünschten Endtemperatur, lässt sich der Verdichter entsprechend ein- und ausschalten.
Behalten wir dieses Prinzip bei, ordnen die Komponenten aber anders an, lässt sich das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe beschreiben. Als Wärmequelle dient hier nicht der Innenraum eines Kühlschranks und die darin enthaltenen Lebensmittel, sondern meist Wärmereservoirs der Umwelt. Die gängigsten sind hierbei die Umgebungsluft, Erdwärme oder das Grundwasser.
Die Wärme des Erdbodens lässt sich z.B. über Flächenkollektoren, die sich einen guten Meter unter der Erdoberfläche befinden, oder über eine oder mehrere Erdsonden, die meistens bis 100 m in den Boden ragen, an die Oberfläche transportieren. Im Erdreich sind keine Wohlfühltemperaturen von 40 0C oder mehr zu erwarten. Durch die Lamellen der Luftwärmepumpe oder die Flächenkollektoren bzw. Erdsonde fließt aber eine Flüssigkeit (häufig Wasser mit Frostschutzmittel), welche die Umgebungswärme in die Wärmepumpe transportiert und dort über einen Wärmetauscher an den Verdampfer abgibt. Die zugeführte Wärme lässt das Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf gasförmig werden. Wie vom Prinzip des Kühlschranks bekannt, wird das verdampfte Kühlmittel mit elektrischer Energie in einem Kompressor in der Wärmepumpe verdichtet und wieder in den flüssigen Zustand zurückversetzt. Dabei entsteht Wärme, welche über einen weiteren Wärmetauscher in den Heizkreis und/oder die Warmwasseraufbereitung abgegeben wird.
Je nach verwendeter Wärmequelle und Wärmepumpentyp, ist ein Wirkleistungsfaktor von nutzbarer Wärmeenergie zu eingesetzter elektrischer Energie von 3-4 typisch, bei guten Bedingungen auch von 5. Dieser Faktor wird auch als Jahresarbeitszahl bezeichnet und bestimmt die Effizienz einer Wärmepumpe. Er ist von mehreren äußeren Bedingungen abhängig. Dies sind die Wohnraumtemperatur, die Außentemperatur, die Temperatur der Wärmequelle oder auch der Inhalt des Warmwasserspeichers, sowie die Effizienz des Kompressors. Nicht zuletzt entscheidet aber auch das eingesetzte Kühlmittel über den Erfolg der Wärmegewinnung.
Um die Leistung der Wärmepumpe zu regeln, verwenden einige Hersteller eine Zweipunktregelung ähnlich der des Kühlschranks. Ist der Temperaturzielwert überschritten, schaltet die Pumpe bzw. der Verdichter aus, fällt die Temperatur unter einen bestimmten Wert, schaltet die Wärmepumpe wieder zu (Bild 2). Bezogen auf die Lebensdauer eines Verdichters ist es schonender, ihn mit einem Frequenzumrichter zu steuern. Mit dessen Hilfe lässt sich die Leistung des Verdichters stufenlos auf genau die benötigte Menge einstellen. Der Verdichter läuft also immer im optimalen Arbeitspunkt.
Unabhängig von dem Steuerungsprinzip des Verdichters ist die Heizkurve bzw. die Heizkennline einer Wärmepumpe eines der wichtigsten Stellglieder, um das Gerät effizient betreiben zu können. Die Heizkurve beinhaltet die Vorgaben für die Steuerung, wie diese in Abhängigkeit der Außentemperatur die Vorlauftemperatur der Heizkreise einzustellen hat. Sinkt im Winter die Außentemperatur, soll die Vorlauftemperatur entsprechend angehoben werden, um die Raumtemperatur halten zu können. Umgekehrt im Frühjahr. Sobald die Außentemperaturen ansteigen, kann die Vorlauftemperatur zurückgefahren werden. In welchem Maße die Vorlauftemperatur angepasst werden muss, hängt zu großen Teilen von der Gebäudehülle und dem Heizwärmeverteilsystem ab. Es gibt also keine Heizkurve für jede Anlage, diese muss im laufenden Betrieb an die gewonnenen Erkenntnisse individuell angepasst werden.
Schauen wir noch einmal auf den linken Teil von Bild 2. Hier wird deutlich, dass die Schaltzyklen eines Verdichters sehr von der eingestellten Hysterese abhängen. So kann die Lebensdauer des Verdichters erheblich verlängert werden, wenn der Wert der Hysterese um ein paar Grad vergrößert wird. Dies sorgt für ein selteneres Ein- und Ausschalten des Verdichters, kann aber bei einem zu großen Wert auch zu merklichen Temperaturschwankungen z.B. auf dem Fußboden führen. In diesem Fall ist auch hier jede Anlage separat zu betrachten, da jedes Heizwärmeverteilsystem eine andere Trägheit aufweist und die Hysterese unterschiedlich wahrgenommen wird.
Bei einer gut eingestellten Wärmepumpe läuft der frequenzgesteuerte Verdichter nur mit genau der Leistung, die benötigt wird, um die erforderliche Wärmemenge zu erzeugen. Bei höheren Außentemperaturen kann es sogar sein, dass der Verdichter mit einer Frequenz von nur 10 Hz betrieben wird, um eine minimale Grundlast zu erzeugen und dabei entsprechend wenig elektrische Energie aufwenden muss.
Eine Wärmepumpe, egal welcher Bauart, hat nur ein sehr schmales Betriebsfenster, in dem diese mit der größtmöglichen Effizienz arbeitet. Eine gewissenhafte Parametrierung beim Errichten und Justierung im laufenden Betrieb, wie z. B. die Heizkurve, sind daher unerlässlich. Dies ist das Aufgabengebiet der SHK-Fachkraft. Doch auch der Elektroinstallateur kann zum Mehrwert und optimierten Betrieb einer Wärmepumpe beitragen z. B. durch eine optimierte Energieverteilung in der Wohneinheit oder durch eine Steuerung der Betriebszeiten der Wärmepumpe.
Eine Wärmepumpe speichert die gewonnene Energie in der Regel in einem Warmwasserspeicher (Bild 3). Moderne Anlagen verwenden hierfür einen Schichtenspeicher. In einem Speicher sammelt sich das warme Wasser aufgrund seiner geringeren Dichte im oberen Teil, während das noch kalte Wasser im Bodenbereich steht. Dieser Effekt ist von Badeseen bekannt. Bei der Wasserentnahme verringern eingearbeitete Trennplatten die Durchmischung der unterschiedlichen Wassertemperaturen in den unterschiedlichen Ebenen. Im oberen Bereich kann sich eine Entnahmestelle für Warmwasser befinden, im mittleren, nicht ganz so warmen Bereich des Speichers, kann eine Entnahme für Heizwasser sinnvoll sein.
Viele Speicher lassen sich mit einem zusätzlichen Heizstab ausrüsten. Wird mit einer Photovoltaikanlage eine größere Energiemenge produziert als der Haushalt abnehmen kann, so kann der Heizstab die »überschüssige« elektrische Energie nutzen und das Wasser im Warmwasserspeicher aufheizen. Aus energetischer Sicht ist dies jedoch der ungünstigste Weg, da die zuvor kennengelernte Jahresarbeitszahl, also der Wirkleistungsfaktor, bei 1 liegt.
Eine andere und effizientere Möglichkeit »überschüssige« elektrische Energie in warmes Wasser zu speichern, ist das Hochfahren der Wärmepumpe auf ein höheres Leistungsniveau als aktuell benötigt wird. Je nach Wärmepumpe und eingesetztem Speicher, kann die Maximaltemperatur für den Normalbetrieb im Speicher ausgesetzt werden und eine höhere, für diese Betriebsart vorgesehene Wassertemperatur gefahren werden. Mit dieser Methode wird überschüssige elektrische Energie auch zur Warmwasserspeicherung genutzt, aber mit einem besseren Wirkungsgrad. Liegt die maximale Warmwassertemperatur des Speichers im Normalbetrieb z.B. bei 55 °C, kann diese im PV-Modus auf 75 °C erhöht werden. Somit steht länger warmes Wasser zur Verfügung. Diese Variante funktioniert allerdings nur dann, wenn die Wärmepumpe nicht aufgrund niedriger Temperaturen und dem damit verbundenen hohen Wärmebedarf, sowieso schon auf maximaler Leistung läuft.
Für gängige Aufgabenstellungen bieten viele Wärmepumpen entsprechende Eingänge, die lediglich geschlossen werden müssen, um eine verknüpfte Funktion auszulösen. Viele Wärmepumpen bieten z. B. einen Eingang mit der Funktion »PV-Überschuss«. In der Regel kann auf der Weboberfläche der Wärmepumpe konfiguriert werden, was bei einem geschlossenen Eingang gemacht werden soll. Im vorangegangenen Abschnitt wurde als mögliche Variante die Leistungserhöhung und damit verbunden die Erwärmung von Warmwasser auf eine höhere Temperatur genannt, aber auch andere Optionen sind denkbar. Um diese Funktion ohne manuelles Zutun zu starten, kann der Eingang der Wärmepumpe mit einem entsprechend konfigurierten Ausgang eines Wechselrichters potentialfrei verbunden werden. Schaltet der Wechselrichter bei einem definierten Überertrag den verbundenen Ausgang durch das Schließen eines Relais, dann startet die Wärmepumpe mit der Leistungserhöhung. Dieses Beispiel ist allerdings sehr statisch und bietet wenig Flexibilität.
Schaltet der Ausgang des Wechselrichters erst bei 1 000 W Überschuss, liegt die Einspeisung aber konstant bei 800 W, geht selbsterzeugte elektrische Energie, ohne diese selbst zu nutzen für eine geringe Entschädigung an den Versorgungsnetzbetreiber. Auf Softwareebene lässt sich dies sehr viel effizienter lösen. Der Wechselrichter meldet einen erzeugten Überschuss von 800 W an die Wärmepumpe und diese erhöht die Verdichter- und Pumpenleistung um genau diesen Betrag. Die »zu viel« erzeugte Energie wird also bestmöglich genutzt.
Meldet der Wechselrichter eine nicht genutzte elektrische Energie von 2800 W, die Wärmepumpe kann aber nur mit einer maximalen Verdichterleistung von 1 200 W arbeiten, ist eine Nutzung der verbleibenden 1600 W für den Heizstab im Speicher möglich. Somit wird sehr viel schneller die für dieses Szenario eingestellte maximale Speichertemperatur erreicht und die erzeugte, aber nicht anderweitig genutzte elektrische Energie aus dem Sonnenertrag sinnvoll genutzt. Es gibt auch Lösungen, die sich zwischen einer statischen und einer dynamischen Steuerung bewegen. Dort wird mit analogen Signalen zwischen Wechselrichter und Wärmepumpe gearbeitet, nicht selten ist hier aber ein zusätzlicher Konverter und eine sehr genaue Justierung des Spannungssignals notwendig. Für die Fehlersuche bzw. für eine gewerkeübergreifende Arbeit ist dies eine schöne Sache, da die Schnittstelle beidseitig klar definiert ist, aber spätestens dann, wenn ein weiterer Verbraucher eingebunden werden soll, sind die Grenzen erreicht.
Um eine dynamische Kommunikation und einen Austausch der Daten zwischen den Protagonisten zu erreichen, muss schon bei der Beschaffung auf eine Kompatibilität geachtet werden oder es wird ein Controller eingesetzt, der die Kommunikation zentralisiert übernimmt. Speziell auf die Verteilung ausgelegt ist ein sogenanntes »HEMS«, ein Home Energy Management System oder eine Software zur Gebäudesystemintegration, welche in größeren Umgebungen auch als Gebäudeleittechnik betitelt wird. Auf die Unterschiede und Eigenheiten, sowie der Vor- und Nachteile der verschiedenen Systeme soll im nächsten Artikel dieser Serie eingegangen werden.
Dozent für Gebäudesystemintegration am BFE in Oldenburg
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