Hohe Massenströme als große Herausforderung
Eine große Herausforderung liegt im Umgang mit den hohen Massenströmen bedingt durch die geringen Temperaturdifferenzen der Wärmepumpe. Diese wirken sich zum einen negativ auf das Schichtverhalten der Speicher aus, zum anderen auf die Integration der Solaranlage. Um die Massenströme gezielt steuern zu können, wurde die Wärmepumpe durch eine hydraulische Weiche entkoppelt. Während der primäre Wärmepumpenkreis mit einem konstanten Massenstrom betrieben wird, der immerhin bei 200kW bei rd. 35m3/h liegt, wird der sekundäre Verbraucher-/Speicherkreis mit einem gezielten, variablen Massenstrom betrieben. Die Führungs- bzw. Regelgröße sind die unterschiedlichen Vorlauftemperaturen der Verbraucherkreise. Die Vorlauftemperatur der Raumheizung wird über die Außentemperatur also witterungsgeführt mit einer parametrierbaren Temperaturhysterese errechnet. Während das Temperaturniveau der Speicherwasservorlage mit einer gewissen Temperaturüberhöhung zur Trinkwarmwassertemperatur (TSpeicher= 5K + TTWW) konstant bleibt. Um die Temperaturüberhöhung möglichst klein zu halten, wurden die Plattenwärmetauscherflächen der Durchfluss-Wassererwärmer (Frischwassererwärmer – kurz FWE) möglichst groß dimensioniert. Dadurch liegt die maximal zu erzeugende Vorlauf-Temperatur der Wärmepumpen bei 65°C während der Warmwasserbeladung des Speichers. Am Start der Beladungsphase beginnt die Sekundär-Verbraucherkreis-Pumpe mit einer minimalen Drehzahl von zehn Prozent (parametrierbar). Dadurch steigt die Temperatur im primären Wärmepumpenkreis durch die geringe Wärmeabnahme schnell auf die gewünschte Zieltemperatur. Steigt die Temperatur, wird auch die Drehzahl der Sekundär-Pumpe angehoben. Der Anstieg der Pumpendrehzahl richtet sich nach dem Vorlauf-Temperaturanstieg im Primärkreis. Je steiler und schneller der Temperaturanstieg, je höher die Drehzahl der Pumpe. Dabei kann die Drehzahl der Pumpe bei extrem schnellem Temperaturanstieg auch sprunghaft ansteigen. Durch die feine, schnelle und genaue Anpassung der Sekundär-Pumpen-Drehzahl und damit des Massenstroms, wird gewährleistet, dass die Wärmepumpe immer ausreichend Wärme abgeben kann. Des Weiteren wird durch die variable Anpassung der Massenströme die Schichtung im Speicher ermöglicht. Die Hochtemperaturzone für die Warmwasserbereitung wird eher mit einer niedrigen Drehzahl und damit mit einem geringen Massenstrom beladen, während die Niedertemperaturzone der Pendelfunktion für die Raumheizung der Speicher mit höheren der Witterung entsprechenden Massenströmen beladen wird. Das Leitwerk mit Verteilkuppe sorgt dafür, dass die hohe Temperaturzone des Speichers durch die niedrigeren Temperaturbeladungen für die Raumheizung nicht abgekühlt wird. Dabei ist der obere Teil des Leitwerks mit einer geometrischen Halbkugel als Beruhigungszone ausgebildet. Darunter werden mehrere Leitrohre je nach Massenstrom angeordnet. Diese bestehen aus einem inneren, kürzeren und äußeren, längeren Leitrohr, sodass ein Ringspalt entsteht. Das Leitwerk nutzt den Dichteunterschied des Wassers bei unterschiedlichen Temperaturen aus. Die hohen Vorlauf-Temperaturen während der Warmwasserbeladung werden durch den Ringspalt zum Heizungswasser in den Speicherdom geleitet. Während das Heizungswasser mit niedrigeren Vorlauftemperaturen durch die Raumheizung durch das Leitwerk in die darunter liegende Temperaturzone geleitet wird. Für die Beladung der Raumheizungszone ist ein zweiter Parametersatz erforderlich, der die Sekundär-Verbraucher-Pumpe direkt mit einer höheren Drehzahl startet, als bei Trinkwasseranforderung. Durch die variable Anpassung der Pumpendrehzahl und durch das Leitwerk des Speichers wird ein optimales Schichtverhalten während jedes Beladungszustands des Speichers gewährleistet.
Heizraum-Verteilung (Bild: Varmeco GmbH & Co KG)
Regelungsablauf
Die Wärmepumpe startet, wenn die Temperatur im oberen Teil der Speicher nicht mehr ausreicht, um die Heizwasservorlage des Speichers für den Durchfluss-Erwärmer zu erhitzen. Die Wärmepumpe lädt die Speicher von oben mit heißem Heizwasser. Sobald die Zieltemperatur (+Hysterese) in der Kuppel der Speicher erreicht ist, schaltet die Wärmepumpe ab bzw. es wird die Vorlauftemperatur für die Fußbodenheizung mittels variabler Drehzahlregelung eingestellt (mittleres Reservoir). Während der Erzeugung des Heizwassers zur Trinkwassererwärmung, werden die Heizkreise gesperrt. Über ein 0 bis 10V-Signal wird der Wärmepumpe vorgegeben, welche Vorlauftemperatur erforderlich ist; 65°C zur Erwärmung des Reservoirs in der Kuppel und max. 35°C zur Erwärmung des Reservoirs für die Fußbodenheizung. Durch die Schichtung in den Pufferspeichern wird eine optimale Ausnutzung der solarthermischen Anlagen gewährleistet, auch durch die niedrigen Temperarturen (25-30°C) im unteren Speicherteil bedingt durch die niedrigen Rücklauftemperaturen der Frischwasseranlage und der Fußbodenheizung.
Schaltschema Heizung (Bild: Varmeco GmbH & Co KG)
Hygiene-Aspekte
Durch die Durchfluss-Trinkwassererwärmer wird der Inhalt der gesamten Trinkwassererwärmungsanlage (Netz+Trinkwassererwärmer) erheblich reduziert. Dadurch wird die Verweilzeit des Warmwassers vom Zeitpunkt der Erwärmung bis zum Auslauf an der Entnahmestelle erheblich verkürzt. Durch Einsatz eines Datenloggers wurde über einen längeren Zeitraum auch der Warmwasserverbrauch aufgezeichnet und dadurch die Verweilzeit des Warmwassers bei niedrigen Verbrauchstagen ermittelt. Zum Veranschaulichen der Ergebnisse wurde das vorhandene Durchflusssystem mit einem Speicherladesystem verglichen (siehe Tabelle unten). Bei einem minimalen Warmwasserverbrauch pro Tag von knapp 1.300 Litern ergibt sich eine Verweilzeit des Wassers bei einem Speicherladesystem von 33h. Im Vergleich dazu beträgt die Verweilzeit beim Frischwassersystem nur 5h. Dies wiederum entspricht einer Reduzierung von ca. 85%. Selbst an verbrauchsarmen Tagen werden mit dem Durchflusssystem die Empfehlungen des Umweltbundesamtes weitestgehend (Verweilzeit nicht länger als 4h) eingehalten.
