Die neue Heizungsanlage des fast 40 Jahre alten Einfamilienhauses wurde nach mehreren Bauabschnitten und Provisorien fertiggestellt und zur finalen Inbetriebnahme vorbereitet. Zunächst wurde der wassergeführte Kachelofeneinsatz in Betrieb genommen, als er vollständig installiert war und der Kachelofenbauer ihn freigegeben hatte. Vor der Inbetriebnahme wurden alle Anlagenteile geprüft, insbesondere Betriebszustände, Anlagendruck sowie die Spannungsversorgung inklusive FI-Schutzschalter und LS-Automaten. Die Betreiber waren während der Inbetriebnahme anwesend und wurden in die Bedienung der Anlage eingewiesen. Alle Umwälzpumpen und motorisch angetriebenen Ventile der Wärmeerzeugung und -verteilung wurden manuell gestartet. Auch die installierten Sicherheitsventile wurden auf ihre Funktion geprüft.
Inbetriebnahme des Kachelofeneinsatzes
Der Kachelofen wurde zunächst mit leichtem Stückholz angeheizt, um das Kesselwasser auf Temperatur zu bringen. Während der Kachelofenbauer die Kaminzüge kontrollierte, wurden die ansteigende Kesselwassertemperatur sowie der Start der Kessel-Ladepumpe überwacht.
Über das Display der Regeleinheit konnten Vor- und Rücklauftemperaturen, Kesselwassertemperatur, Massestrom, Pumpenstatus sowie die Temperaturen des Pufferspeichers eingesehen werden. Die Rücklauftemperatur wurde auf 55 °C eingestellt und geprüft. Nach Erreichen dieser Temperatur begann die thermische Beladung des Pufferspeichers.
Hydraulische Einbindung im Lastausgleich/Pufferspeicher
Beim Aufheizen wurde zunächst der Pufferspeicher als vorrangiger Wärmespeicher beladen. Die Beladung erfolgte mit Temperaturen bis 75 °C und einem Massestrom von etwa 320 kg/h. Der Schichtungsverlauf im Pufferspeicher wurde thermografisch dokumentiert. Bei Bedarf wird die Wärme direkt an die Heizkreise der Wärmeübergabe abgegeben. Besteht keine Heizanforderung, wird die erzeugte Wärme im Pufferspeicher gelagert und bei späterem Bedarf genutzt.
Bei Wärmebedarf in den Räumen wird zunächst der Pufferspeicher entladen. Erst wenn dessen Temperatur unter 40 °C fällt, schaltet sich die Wärmepumpe zu, sofern der Kachelofeneinsatz nicht zuvor ausreichend nachheizt. Diese Regelung wurde bei der Inbetriebnahme eingestellt.
Erfahrungen aus der bisherigen Nutzung zeigten, dass der Wärmebedarf für die Wärmeübergabe geringer ist, wenn der Kachelofen in Betrieb ist. Dies schließt die zeitversetzte Wärmeabgabe an den Raum durch die Wärmespeicherung ein.
Funktionsprüfung der thermischen Ablaufsicherung (TAS)
Die Spannungsversorgung wurde unterbrochen, um eine Störung, wie einen Stromausfall, zu simulieren und die thermische Ablaufsicherung (TAS) zu prüfen. Dadurch konnte die Wärme nicht mehr über die Umwälzpumpe abgeführt werden, und die Temperatur im Kessel stieg an. Bei 95 °C öffnete das Magnetventil der thermischen Ablaufsicherung wie vorgesehen. So wird verhindert, dass Schäden am Kesseleinsatz entstehen. Während Kaltwasser durchströmte, wurde die Abkühlung des Kesselwassers überwacht und die Ablassvorrichtung abschließend geprüft.
Dem Betreiber wurde die Bedeutung dieser sicherheitstechnischen Einrichtung erklärt. Zudem wurde darauf hingewiesen, die thermische Ablaufsicherung einmal jährlich manuell zu prüfen, damit sich das Ventil nicht festsetzt und im Ernstfall zuverlässig funktioniert. Dabei wurde auch kontrolliert, ob das Ventil wieder vollständig schließt. Außerdem wurde die Wärmeabgabe des Kachelofens im Raum überprüft und verschiedene Werte wie Luft- und Oberflächentemperaturen wurden am Aufstellort dokumentiert.
Für den Betrieb des Kesselladekreises ist ausschließlich die Temperatur des Kesselwassers entscheidend. Sobald der Kachelofen angeheizt wird und die Kesseltemperatur steigt, wird die Umwälzpumpe in Betrieb gesetzt und auch im Display angezeigt. Je nach eingestellter Rücklauftemperatur (z. B. 55 °C) öffnet der Drei-Wege-Mischer den Kesselkreis zum Speicher-Ladekreis. Die Rücklauftemperaturhochhaltung sorgt dafür, dass in diesem Fall die Rücklauftemperatur zum Kessel niemals niedriger als 55 °C ist, um Kondensatbildung am Kessel zu verhindern. Die Kessel- und Pufferspeichertemperaturen werden in einer Raumbedieneinheit angezeigt, sodass die wichtigsten Parameter direkt neben dem Kachelofen stets im Blick sind.
Unterschreitet die Außentemperatur die Heizgrenztemperatur, startet der Heizbetrieb. Der wassergeführte Kachelofeneinsatz hat Vorrang bei der Wärmeabgabe und arbeitet zusammen mit dem Heizungs-Pufferspeicher im Lastausgleich. Dieser ist nicht an der Trinkwassererwärmung beteiligt und kann im Sommer als Kältespeicher genutzt werden, wenn eine Flächenkühlung im reversiblen Betrieb der Wärmepumpe gewünscht ist.
Diese Möglichkeit wurde bei der Dämmung berücksichtigt, die vollständig diffusionsdicht ausgeführt wurde. In Bestandsgebäuden besteht jedoch ein Restrisiko bei nicht zugänglichen Leitungen. Deshalb wird dort häufig ein Taupunktwächter an der Heizkreis-Pumpengruppe eingesetzt, was die Kühlleistung reduziert. In dieser Anlage wurde darauf verzichtet, da kein nennenswerter Kühlbedarf besteht.
Exkurs: Autarke Wärmeversorgung und -übergabe aus Stückholz
Die Umwälzpumpe des Kesselkreises und die Umwälzpumpen der Wärmeübergabe können über die hauseigene PV-Anlage mit Batteriespeicher und das Energiemanagement versorgt werden. Dabei wird die Speicherfähigkeit des Estrichs der Fußbodenheizung als thermischer Puffer genutzt, um Lasten auszugleichen und den Betrieb zu optimieren.
Die bedarfsorientierte Bivalenz ergibt sich aus dem Nutzerverhalten beim Kachelofen. Dieser war und ist die zentrale Wärmequelle im Wohnbereich der Familie und wird bereits in der Übergangszeit genutzt, auch wenn noch kein nennenswerter Heizwärmebedarf besteht. Durch ein zusätzliches Back- und Warmhaltefach wurde der Ofen aufgewertet und auch stärker in den offenen Grundriss integriert. Er dient damit nicht nur als Wärmequelle, sondern auch als prägendes Gestaltungselement des Wohnraums. Die wasserseitige Nennwärmeleistung des Kachelofeneinsatzes von bis zu 10 kW sowie die unmittelbare Wärmeabgabe in den geöffneten Raum des Erdgeschosses können die gesamte Gebäude-Heizlast leicht kompensieren.
Dies zeigte sich auch in den geringen Betriebsstunden der Wärmepumpe beziehungsweise des Verdichters während der ersten Heizperiode. Dazu trug das Nutzungsverhalten mit hoher Anwesenheit im Haus bei, da beim Ofen häufig nachgelegt werden konnte. Der Brennraum des Kachelofens befindet sich zudem im Heimbüro, das von beiden Erwachsenen abwechselnd als Homeoffice genutzt wird.
Während des Aufheizens der Anlagen blieben die Temperaturen und Einbauten entlang den Rohrleitungen und -verläufen im Blick. Sämtliche Verschraubungen wurden nochmals geprüft und ggf. nachgezogen. Erst nach dem ersten Aufheizen wurden die Rohrleitungen, Armaturen und Apparate für den Betrieb entsprechend gedämmt. Nach der Inbetriebnahme und dem Funktionsheizen wurde der Vorgang protokolliert und die Betreiber wurden in die Bedienung der Anlage eingewiesen. Für die Inbetriebnahme der Wärmepumpe wurde der Heizungs-Pufferspeicher manuell über die Wärmeübergabe auf 25 °C und der Trinkwarmwasserspeicher auf etwa 20 °C entladen. So konnte die thermische Beladung beider Speicher geprüft und gleichzeitig eine ausreichende Betriebszeit des Kompressors zur Ermittlung der Kenndaten sichergestellt werden.
Inbetriebnahme der Wärmepumpe
Die Inbetriebnahme der Wärmepumpe erfolgte per Fertigstellungsanzeige in gemeinsamer Abstimmung mit dem Werkskundendienst. Die Checkliste zur Inbetriebnahme wurde abgearbeitet und die Anlage freigeschaltet. Der Anlagendruck und die Heizungswasserqualität (Messung) wurden überprüft.
An der Heizungsregelung wurden die relevanten Parameter eingestellt, insbesondere die Heizgrenztemperaturen der beiden Heizkreise, und die jeweilige Heizkennlinie wurde hinterlegt. Im Unterschied zum Kachelofeneinsatz belädt der Monoblock der Wärmepumpe beide Speicher, sowohl den Heizungs-Pufferspeicher als auch den Trinkwarmwasserspeicher. Die Regelung des Trinkwarmwassers erfolgt dabei über die Heizungsregelung in der Inneneinheit der Wärmepumpenanlage.
Vor dem Freischalten der Wärmepumpe wurden die elektrischen Anschlüsse und Absicherungen geprüft. Anschließend erfolgten die Reglereinstellungen mit dem Inbetriebnahme-Assistenten. Die nutzerspezifischen Einstellungen wurden gemeinsam mit den Betreibern festgelegt und angepasst. Die beiden abgekühlten Speicher wurden nacheinander über das Hydraulikmodul geladen und messtechnisch begleitet. Während des Betriebs des Verdichters beim Aufheizen wurden Mess- und Einstellwerte abgeglichen und die Betriebszustände im Kältekreis erfasst.
Regelungsstrategie/Einstellungen der Heizungsregelung
Die Einstellungen wurden für die Bereitstellung von Trinkwarmwasser und Raumheizung vorgenommen. Die Temperatur im Trinkwarmwasserspeicher wurde entsprechend dem hohen Warmwasserbedarf auf 60 °C eingestellt. Dieser Wert konnte im Laufe des Betriebs um 5 °C reduziert werden. Den Betreibern wurden die Einstelloptionen sowie das Zeitprogramm erläutert und die gewünschten Einstellungen wurden gemeinsam vorgenommen.
Die unterschiedlichen Heizgrenztemperaturen ergaben sich aus dem Aufbau der Wärmeverteilschicht. Bei einem massiven Heiz-Estrich mit hoher Wärmespeichermasse ist eine etwas höhere Heizgrenztemperatur sinnvoll, um die längere Reaktionszeit zu berücksichtigen. Bei der Flächenheizung im Obergeschoss mit einer Rohrüberdeckung von nur 10 mm war eine niedrigere Heizgrenztemperatur ausreichend. Nach der ersten Heizperiode wurde lediglich die Heizkurve der Fußbodenheizung nach unten angepasst, da durch den häufigen Betrieb des Kachelofens nur ein geringer Wärmebedarf für die Wärmeübergabe im EG bestand.
Funktionskontrolle der Wärmeübergabe
Um einen Heizwärmebedarf zu erzeugen, wurden die Heizgrenztemperaturen im Rahmen der Inbetriebnahme erhöht, da diese außerhalb der Heizperiode stattfand. Dabei wurden insbesondere die Wirkrichtungen der Mischer-Antriebe geprüft, um sicherzustellen, dass sie korrekt arbeiten und die gewünschte Vorlauftemperatur erreicht wird.
Im Erdgeschoss wurden am Heizkreisverteiler der Fußbodenheizung die Einstellungen für den hydraulischen Abgleich überprüft, angepasst und in der Raumliste dokumentiert. Im Obergeschoss wurden die UP-Regeleinheiten mit Fernfühler und digitalem Raumgerät kontrolliert und in ihrer Funktion bestätigt. Nach der ersten Heizperiode wurde im Kinderzimmer des Erdgeschosses ein Raumthermostat mit Zeitprogramm nachgerüstet, da sich die manuelle Bedienung zur rechtzeitigen Reduzierung der Raumtemperatur im Betrieb der Fußbodenheizung als unpraktisch erwiesen hatte.
Im Rahmen der ersten Wartung mit Effizienzanalyse wurden auch die Wärmeübergabesysteme beider Heizkreise überprüft. Die Nutzerbefragung ergab ein sehr positives Temperaturempfinden sowie ein verbessertes Raumklima durch die Lehmoberflächen der Wärmeverteilschichten im Obergeschoss und den neu ausgeführten Lehmputz im Erdgeschoss. Auch an den thermisch aktivierten Dachschrägen- und Deckenflächen traten keine Überhitzungserscheinungen auf, obwohl die zulässigen Oberflächentemperaturen weitgehend ausgereizt wurden. Kritische Werte wurden nicht erreicht. Die Einstellungen im Obergeschoss blieben unverändert.
Kontrolle der Heizungswasserqualität
Die Heizungswasserqualität wurde über die installierten Magnetit-Abscheider und das Feinsieb im Rücklauf der Wärmepumpe mechanisch überprüft. Zusätzlich wurden Proben entnommen und die Ergebnisse mit den dokumentierten Werten wie pH-Wert, elektrischer Leitfähigkeit und Resthärte im Anlagenbuch abgeglichen. Der Zählerstand der Heizungswassernachspeisung wurde ebenfalls erfasst. Die Nachspeiseeinheit ist mit Absperrventilen sowie einem Systemtrenner für den Trinkwasseranschluss ausgestattet.
Hinweis: Obwohl die Nachspeiseeinheit auf einen automatischen Betrieb ausgelegt ist, wird empfohlen, diese abgesperrt zu lassen und stattdessen den Anlagendruck regelmäßig zu kontrollieren, wie es aus früheren Anlagen bekannt ist. Dadurch lassen sich schleichende Undichtigkeiten frühzeitig erkennen und unnötige Nachspeisemengen vermeiden. Ebenso wurde auf die regelmäßige Kontrolle der Kapazität der Aufbereitungskartusche hingewiesen.
Dokumentation
Die technischen Informationen, die Bedienungsanleitung und die Anlagenbeschreibung wurden zusammen mit den Heizlastberechnungen, dem hydraulischen Abgleich und allen weiteren Protokollen in einem Anlagenbuch zusammengestellt und dem Betreiber übergeben. Aus der Anlagenbeschreibung und der Einweisung ergeben sich die Leistungsinhalte sowie die Intervalle für Wartungsarbeiten. Diese wurden erläutert und ein Wartungsvertrag wurde angeboten und beauftragt. Sowohl die Inbetriebnahme des Kachelofeneinsatzes inklusive Funktionsprüfung als auch die Inbetriebnahme der Wärmepumpe wurden dokumentiert.
Neben der Fachunternehmererklärung für das damalige Bafa und dem VdZ-Formular zum hydraulischen Abgleich wurden sämtliche Protokolle zur Inbetriebnahme, die Heizlastberechnung, die Auslegung der Flächenheizungen sowie die Bedienungsanleitungen und Datenblätter sämtlicher Komponenten im Anlagenbuch zusammengestellt und dem Kunden übergeben.
Ergebnisse nach dem ersten Betriebsjahr
Die ersten Erfahrungen zeigten, dass der wassergeführte Kachelofeneinsatz in der tatsächlichen Nutzung deutlich wichtiger ist als ursprünglich angenommen. Dies zeigt sich auch im Brennstoffverbrauch von rund acht Raummetern Mischholz in der ersten Heizperiode gegenüber zuvor knapp fünf Raummetern. Von einer klassischen Bivalenz einer Wärmepumpenanlage kann daher nicht gesprochen werden. Aus diesem Grund konnte der Effizienz-Check der Wärmepumpe im Rahmen der ersten Wartung nicht eindeutig bewertet werden, da ihre Rolle im Gesamtsystem durch die individuelle Nutzung noch zu optimieren ist. Der Anteil der Wärmepumpe am Gesamtenergieeinsatz war dabei so gering, dass er im Haushaltsstrom kaum ins Gewicht fiel.
Die Wärmepumpe lief überwiegend zur Warmwasserbereitung. Die vergleichsweise niedrige JAZ von 3,36 ist auch darauf zurückzuführen, dass der Trinkwarmwasserspeicher im Sommer im Rahmen des PV-Managements überwiegend direkt elektrisch betrieben wurde. Die durchschnittliche Verdichterlaufzeit betrug 54 min. Ein möglicher Parallelbetrieb beider Wärmeerzeuger konnte nicht ausgeschlossen werden und wird derzeit weiter untersucht. Zur Optimierung wurden die Positionen der Speicherfühler angepasst und die Einstellungen der Speicherbeladung harmonisiert, um einen Parallelbetrieb zu vermeiden.
Fazit
Dieser Projektbericht zeigt, dass ein Niedrigtemperatursystem in der Wärmeübergabe nicht nur für eine Wärmepumpe geeignet ist, sondern auch für einen wassergeführten Biomassekessel (hier Stückholzkessel in Form eines Kachelofeneinsatzes). Dieser kann mit geringem Aufwand beide gemischten Heizkreise über einen Pufferspeicher mit 800 l im Lastausgleich versorgen. Ein wesentlicher Aspekt der nachhaltigen Wohnwärmegestaltung ist, dass die Wärme bereits beim Anfeuern unabhängig vom Speicherzustand im zentralen Wohnbereich schnell spürbar ist. Die halbautomatische Betriebsweise stellt jedoch erhöhte Anforderungen an die Regelungsstrategie der Heizungsanlage.
Ebenso zeigen das spezifische Nutzerverhalten und die Nutzungskonstellation, wie schnell ein ursprünglich bivalentes System faktisch vom zweiten Wärmeerzeuger dominiert werden kann. Es handelt sich um eine Heizungsanlage mit zwei vollwertigen Wärmeerzeugern, die jeweils in der Lage sind, die Gebäudeheizlast allein zu decken. In diesem Sinne liegt keine klassische Bivalenz vor, sondern vielmehr eine Entweder-oder-Betriebsweise bzw. eine „bedarfsgeführte Bivalenz“.
- Der wassergeführte Kachelofen priorisiert die Beladung des Pufferspeichers und versorgt bei Bedarf direkt die Heizkreise.
- Die Wärmepumpe startet erst bei Pufferspeichertemperaturen unter 40 °C und übernimmt zusätzlich die Trinkwassererwärmung.
- Die thermische Ablaufsicherung öffnet bei 95 °C automatisch zur Vermeidung einer Kesselüberhitzung.
- Die Rücklauftemperaturhochhaltung begrenzt die Kesselrücklauftemperatur auf mindestens 55 °C zur Vermeidung von Kondensatbildung
- Der wassergeführte Kachelofen deckte im ersten Betriebsjahr den überwiegenden Anteil der Gebäudeheizlast ab.
- Die Regelungsstrategie zeigte Optimierungsbedarf zur Vermeidung eines Parallelbetriebs von Wärmepumpe und Kachelofen.
Bild: Forum Wohnenergie
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Bild: Home Comfort – Bosch Thermotechnik GmbH
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