Pressebericht AQUA & GAS N° 3
Hybridheizgeräte in der Praxis
Gasversorgungsunternehmen geraten mit der neuen MuKEn 2014 unter Druck – wer in Zukunft nicht eine gute Bandbreite an überzeugenden Heizungsprodukten bieten kann, riskiert den Verlust von Bestandskunden. Im Zuge einer Innovationsoffensive testet die IBAarau neue Geräte und Technologien, um besonders für den wichtigen Sanierungsmarkt ein möglichst breitgefächertes Know-how zu haben. So hat die IBAarau bei einer Erdgas-Wärmepumpen-Hybridheizung, die neu in ein Aarauer Einfamilienhaus installiert wurde, während eines Jahres die Effizienzwerte ermittelt und ausgewertet.
Reto Moser, IBAarau Wärme AG
Andreas Peter, SVGW
Einleitung
Als Erdgas/Biogaslieferantin will die IBAarau Wärme AG ihren Kunden auch bei der Anschaffung oder Sanierung ihrer Heizung kompetente Bratung bieten. Deshalb sammelt sie seit Oktober 2014 an einem Pilotobjekt in Aarau Erfahrungen mit einer Erdgas-Wärmepumpen-Hybridheizung. Die IBAarau Wärme AG macht sich mit der Technologie dieses speziellen Heizsystems vertraut, um ihre Kunden künftig mit Praxiserfahrung zukunftsgerichtet beraten zu können.
Auf das Pilotobjekt gestossen ist die IBAarau der Zufall: Eine Hauseigentümerin im Aarauer Goldernquartier suchte eine Lösung für die defekte Ölheizung in ihrem Einfamilienhaus. Was lag da näher, als zuerst den Nachbarn, der als Projektleiter Engineering bei der IBAarau Wärme AG arbeitet, um Rat zu fragen. Von ihm erfuhr sie nicht nur Details über den umweltfreundlichen Energieträger Erdgas als Heizungsersatz-Alternative, sondern auch, welche innovativen Technologien im Zusammenhang mit Erdgas in jüngster Zeit entwickelt worden sind. Nach einem weiteren Gespräch zusammen mit einem Heizungsinstallateur stand für die Dame fest, eine Erdgas-Wärmepumpen-Hybridheizung zu installieren. Sie stellte zudem ihre neue Heizung der IBAarau Wärme AG zur Verfügung, damit deren Techniker den Betrieb der Heizung überwachen und deren Effizienzwerte ermitteln können.
Beschreibung des MHG-Hybridgeräts
Das Gerät MHG ProCon Streamline Hybrid ist eine kompakte, anschlussfertige Systemtechnik-Anlage aus Luft/Wasser-Wärmepumpe, GasBrennwertkessel und Systemregelung. Letztere gibt anhand eines einstellbaren Bivalenzpunkts vor, in welchem Betriebsmodus (Gaskessel oder Wärmepumpe) das Gerät arbeiten soll.
Im unteren Leistungsbereich arbeitet die invertergeregelte Wärmepumpe stufenlos in einem Leistungsbereich von 3-10kWth – der integrierte Gaskessel deckt den Bereich von 7-25 kWth modulierend ab. Die Installation gestaltet sich auf Grund der wenigen Komponenten sehr einfach – neben der Installation des Gaskessels, der auch den Kondensator der Wärmepumpe beinhaltet, muss nur zusätzlich eine Ausseneinheit mit Kältemittelleitungen, sowie Strom- und Steuerleitung angeschlossen werden.
Praxistest Hybridheizung
Für die messtechnische Erfassung der Hybrid-Anlage wurde als Basis ein vom SVGW entwickeltes Messpaket verwendet, welches bereits vielfach bei Feldtests mit Stromerzeugenden Heizungen und Gaswärmepumpen eingesetzt wird. Die verwendeten Energiezähler (Wärme; Strom ; Gas) arbeiten mit dem MBus-Protokoll und senden ihre Messdaten an den SVGW Messschrank, der über einen integrierten MBus-Master und einen Embedded-PC die Messdaten umwandelt und als CSV-Datei speichert. Die Messdatenübermittlung wird in der Regel über eine Breitbandverbindung automatisiert, oder wie in diesem Fall mittels USB-Stick und periodischer Auslesung der Messdaten vor Ort.
Abb 1: Inneneinheit mit Messpaket (an der linken Wand) und Heizgruppe
Abb 2: Anlagenschema mit Messtechnik
Das MHG- Hybridgerät arbeitet bivalent alternativ – das heisst es wird mit einem voreingestellten Umschaltpunkt (Bivalenzpunkt) zwischen Wärmepumpenbetrieb und Kesselbetrieb umgeschaltet. Die produzierte Wärmemenge wird mit einem Wärmezähler am Geräteausgang erfasst – bei der Messdatenaufbereitung muss dann zu jedem Zeitpunkt die gemessene Wärmemenge dem jeweiligen Betriebsmodus (WP oder Kessel) zugewiesen werden. Das Gleiche gilt für einen der beiden Stromzähler im Messkonzept. Stromzähler 1 misst die Stromaufnahme der Inneneinheit – hier muss ebenfalls immer der aktuelle Betriebsmodus berücksichtigt werden. Stromzähler 2 erfasst die Ausseneinheit und kann immer dem Wärmepumpenbetrieb angerechnet werden.
Messergebnisse und Erkenntnisse
Für die Bilanzierung einer Luft-Wärmepumpe ist es wichtig, immer ein vollständiges Jahr zu betrachten, da aufgrund der schwankenden Aussentemperatur nur so aussagekräftige Ergebnisse zu erwarten sind.
Abb. 3: Monatsauswertung Energie
Die Messung startete im Oktober 2014, somit wurden Messdaten von November 2014 bis Oktober 2015 betrachtet. Abbildung 3 zeigt die monatlich bereitgestellt Wärmemenge und deren Aufteilung zwischen Wärmepumpe und Kessel. Die insgesamt rund 36.000 kWh Wärme wurden im Betrachtungszeitraum zu 78% durch die Wärmepumpe und zu 22% durch den Gaskessel erzeugt. Dies ist ein nachvollziehbares Ergebnis, stellt die Wärmepumpe mit 10 kW ja bereits rund 2/3 der benötigten 15 kW Heizleistung bereit.
Abb 4: Monatsauswertung Mittelwerte und Effizienz
Abbildung 4 zeigt die monatlichen Mittlwerte der benötigten Leistung (Pmittel); der Vor- und Rücklauftemperatur (TVL / TRL) ; der durchschnittlichen Aussentemperatur (TAmb) und der mittleren Verdampfer- Austrittstemperatur (TEva). Ausserdem kann der monatlich errechnete COP (eta_el) der Wärmepumpe abgelesen werden.
Während den Haupt- Heizmonaten (Dezember-Februar) liegt die benötigte Vorlauftemperatur im Schnitt bei 48-50°C – bei den gleichzeitig niedrigen Aussentemperaturen resultiert deshalb ein COP (coefficient of performance = Leistungszahl) von rund 2,3. Da aber in diesen Monaten der Kessel bei sehr niedrigen Temperaturen die Arbeit übernimmt, fallen die tieferen COP Werte im Jahresschnitt nicht so stark ins Gewicht. Mit einer Jahresarbeitszahl von 2,7 liegt die Anlage leicht über dem gemessenen Durchschnitt einer grossen Feldstudie des BFE (Feldanalyse FAWA QS-WP, 2012). Dort konnte für Luft/Wasser Wärmepumpen im Schnitt eine Arbeitszahl von 2,6 ausgewiesen werden.
Neben den monatsbasierten Auswertungen wurden auch Detailanalysen von einzelnen Typtagen durchgeführt, um das Verhalten des Gerätes in bestimmten Situationen besser kennenzulernen.
Am besten lassen sich alle Betriebsvarianten an einem relativ milden Wintertag sehen – hier am Beispiel des 13.1.2015.
Abb 5: Auswertung milder Wintertag
Phase 1 (0.00 Uhr bis ca. 6.30 Uhr): Wärmepumpenbetrieb
Die Anlage läuft bei einer Aussentemperatur von knapp unter +2°C noch im Wärmepumpenbetrieb. Auffällig ist, dass die Anlage taktend fährt, obwohl sie eigentlich ihre Leistung von 3 bis 10 kW über einen Inverter gleitend modulieren kann. Erklären lässt sich dieses Phänomen damit, dass die Wärmepumpe in diesem Betriebszustand bereits mit deutlichen Minustemperaturen im Verdampfer fahren muss (zu sehen im Detail in Abbildung 6). Die grüne Linie zeigt die Austrittstemperatur der Luft, nachdem sie im Verdampfer abgekühlt worden ist – sie liegt die meiste Zeit bei -4°C, also rund 6 Kelvin unter der Umgebungstemperatur. Ungefähr im Stundenrhythmus muss die Wärmepumpe die Reifschicht, die sich auf dem Verdampfer gebildet hat wieder abtauen – zu sehen an den kurzzeitigen Spitzen der Austrittstemperatur auf +6°C.
Abb 6: Detail-Auswertung WP-Betrieb
Phase 2: Kesselbetrieb
Über die Nacht kühlt die Aussentemperatur immer weiter ab und liegt gegen morgen nahe der 0°C-Grenze. Gegen 6.30 Uhr übernimmt der Kessel den Heizbetrieb, da das Einschaltkriterium (Bivalenzpunkt abzüglich Hysterese) erreicht wurde. Im Laufe des Vormittags steigt die Aussentemperatur langsam an, bis um 10.30 Uhr der Bivalenzpunkt wieder überschritten wurde – die Anlage wechselt in den Wärmepumpenbetrieb.
Phase 3: gleitender Wärmepumpenbetrieb
Nachdem die Aussentemperatur gegen Mittag nochmals deutlich ansteigt, kann die Wärmepumpe kontinuierlich ohne Abtauzyklen arbeiten. Der nun benötigte thermische Leistungsbedarf von rund 6kW wird von der Wärmepumpe im Teillastbetrieb mit reduzierter Stromaufnahme (ca. 50%) erledigt (siehe Abbildung 5, schwarze Linie).
Fazit zu den Messungen – technische Einschätzung
Nach dem ersten Betriebsjahr kann ein positives Fazit zum MHG Hybrid-Heizgerät gezogen werden. Aus technischer Sicht überzeugt das Gerät durch eine einfache Installation und Integration in bestehenden Gebäuden. Die Umschaltung mittels Bivalenzpunkt funktioniert gut – hier kann allenfalls an den Einstellungen noch nachjustiert werden. Denkbar wäre zum Beispiel die Anhebung des Bivalenzpunktes auf +4°C – dadurch liessen sich die Abtauzyklen weitestgehend vermeiden, was zu einer besseren JAZ (Jahresarbeitszahl) führen würde. Allgemein liegt die gemessene JAZ mit 2,7 auf einem ordentlichen Niveau für eine Luft-Wasser Anlage im Sanierungsbereich mit Radiatoren.
Hybridanlagen haben gegenüber monovalenten Elektro-Luft/Wasser WPs mehrere entscheidende Vorteile. Durch den Bivalenzpunkt kann der Betrieb bei sehr niedrigen Aussentemperaturen und gleichzeitig hohen Vorlauftemperaturen umgangen werden - dies wirkt sich positiv auf die Arbeitszahl der Wärmepumpe aus. Ausserdem kann die WP kleiner dimensioniert werden, da sie nicht bis in den Auslegungspunkt bei -8 °C arbeiten muss. Die Leistungsanpassung funktioniert damit wesentlich besser. Es kann davon ausgegangen werden, dass monovalente Elektro Luft/Wasser Wärmepumpen ohne Invertertechnologie sehr viel takten und dadurch zusätzlich Effizienz einbüssen. Selbst monovalente Anlagen mit Inverter dürften schlechter laufen, da der untere Modulationsbereich wesentlich früher erreicht wird.
Wirtschaftlichkeit
Für viele Kunden wesentlich, sind neben technischen und ökologischen Aspekten vor allem die wirtschaftlichen Vorzüge. Anhand einer einfachen Betriebskostenanalyse konnte der Vergleich zwischen dem MHG-Hybrid Gerät gegenüber einer konventionellen Heizung mit Gasbrennwertkessel gezogen werden. In Summe konnte die Anlage in dem betrachteten Objekt mit Betriebskosten von rund 2400 CHF einen Kostenvorteil von rund 1200 CHF gegenüber einer klassischen Gasheizung aufweisen. Die Mehrkosten für die Anlage betrugen rund 11.000 CHF, was sich in einer Amortisation von rund 10 Jahren wiederspiegelt (bei aktuellem Energiepreisniveau). Für den Endkunden ist die Investition somit eine vernünftige Lösung, die sich während der normalen Nutzungszeit von rund 15-20 Jahren gut amortisieren kann. Der Kunde hat ausserdem die Möglichkeit flexibel auf die Entwicklung der Energiepreise zu reagieren und kann beispielsweise bei einem Anstieg des Strompreises den Anteil des Gaskessels durch hochsetzen des Bivalenzpunktes erhöhen.
Bedeutung für die Gasbranche
In Bezug auf die MukEn 2014 stellen Hybridanlagen neben Brennwert+Solar eine zusätzliche Lösung für Ein- und kleine Mehrfamilienhäuser im Bestand dar – besonders, wenn das Heizsystem relativ hohe Vorlauftemperaturen benötigt und die benötigte Heizleistung zwischen 10 und 25 kW liegt. Sie bilden als Kompaktanlage die Standardlösung 10 ab – Grundlastwärmeerzeuger „erneuerbar“ mit 25% Leistung. Für die Gasbranche sind sie eine wichtige und sinnvolle Möglichkeit Bestandskunden zu halten und weiterhin mit Gas zu versorgen, die tendenziell eher auf eine Elektrowärmepumpe wechseln wollen - wenn auch mit deutlich weniger Gasabsatz. Der Einbau von Hybridanlagen im Neubau ist aus Sicht der Branche eher uninteressant, da einerseits sehr geringe Heizleistungen benötigt werden (in der Regel ca. 6 kW im EFH) und für eine sehr geringe Gasabsatzmenge der Hausanschluss gelegt werden müsste.
Fazit der IBAArau
Die Pilot-Erdgas-Wärmepumpen-Hybridheizung in Aarau läuft einwandfrei. Bereits jetzt zeigt sich, dass mit diesem Heizsystem gegenüber der früheren Heizung massiv Energiekosten eingespart werden. Die Hauseigentümerin ist mit Ihrem Investitionsentscheid vollauf zufrieden. Sie wird diese innovative Heizungslösung ihrem Bekanntenkreis weiterempfehlen.
Das Verkaufs- und Engineeringteam der IBAarau Wärme AG hat seinerseits ebenfalls einen sehr positiven Eindruck von der Anlage Erhalten. Die Installierte Heizung erfüllte die Erwartungen sowohl aus ökologischer, technischer und wirtschaftlicher Sicht. Für das Querverbundunternehmen, das seinen Kunden nebst Erdgas unter anderem auch Strom anbietet, sind die gemachten Erfahrungen sehr wertvoll.
Neue, vielversprechende Produkte und Technologien erreichen immer wieder den Schweizer Markt. Doch es kann natürlich nicht immer eine gross angelegte FOGA-Messkampagne gestartet werden, um deren Potenzial und Eignung zu prüfen. Für diesen Fall steht der SVGW als Partner der GVUs für die Durchführung von Einzelprojekten zur Verfügung. Der SVGW verfügt neben der technischen Kompetenz über ein eigens entwickeltes Messpaket, welches individuell auf eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden kann. So können auch sehr schlanke, kostengünstige Lösungen realisiert werden und dennoch gemeinsam viele wichtige Erkenntnisse aus den Messresultaten gezogen werden. Bei Interesse stehen als Ansprechpartner die Spezialisten vom SVGW zur Verfügung.
Heizungs- und Anwendungstechnik: Andreas Peter a.peter@svgw.ch
Messtechnik und Datenübermittlung: Roman Huber r.huber@svgw.ch