Wärmepumpe DIY

Wir sind ja nochmal umgezogen und haben in unserer persönlichen Energiewende unsere Wohnfläche wieder halbiert. 
Als wir von Tübingen in den Südschwarzwald gezogen sind kamen wir von 440m² auf beheizte 220m² und nun sind wir nochmal einen Schritt weitergegangen und haben nur noch 70m² beheizte Wohnfläche. Das Häuschen hat 100m², genau wie unser erstes Haus das wir 1990 mit 99m² gekauft hatten.

Erklärung vorab:

Beim jetzigen Schritt sind wir nochmal weitergegangen und nach Analyse unserer Gewohnheiten und Befindlichkeiten waren wir radikal. Da wir bei offenem Schlafzimmerfenster schlafen hatten wir in den Schlafräumen die Heizung eh immer aus. Diesmal haben wir keine Heizmöglichkeit mehr vorgesehen. Das zu machen ist schon mehr als nur darüber nachzudenken. 
Das Haus, wir nennen es Weiherhütte, hat einen offenen Grundriss und so ist fast das gesamte Erdgeschoss ein grosser Raum. Dieser hat eine Fussbodenheizung bekommen und darauf habe ich die Wärmeleistung der Wärmepumpe abgestimmt.
Da das Haus vorher mit Nachtspeichern beheizt wurde gab es nicht wirklich Erfahrungswerte wie eine wassergeführte Heizung sich berechnen lässt. Die Aussenwände sind top gedämmt ( zur Galerie geht’s hier) mit U-Wert 0.22, die Holzfenster sind neu mit U-Wert 1.1 und es ist ein Blockbohlen-Holzhaus aus Douglasie mit Kiefersparren als Dachkonstruktion. Innen somit nur Holz, bis auf den schwarzwaldtypischen Kachelofen der einen Steinkern im Haus bildet und bis ins OG geht. 

Vorbereitung Fussbodenheizung

Nach der letzten Kurzzeitvermietung wird ausgeräumt und ich nehme den Holzfussboden raus. Die Dämmung auch und die 40 Jahre alten Bitumenbahnen auch. Der Boden ist jetzt nackig bis auf den Beton runter. Darauf verlege ich spezielle radon-dichte Abdichtbahnen, Kingspan Dämmplatten und Matrixplatten von Schlüter für die Fussbodenrohre. Es kommen 450lfm Fussbodenrohr in 5 Heizkreisen rein. Darauf wird ein Industrie-Estrich gegossen der nach 24h fertig abgebunden hat. Das war die Fussbodenheizung. (zur Galerie dazu geht’s hier)

Was wäre denn eine passende Wärmepumpe und was sollte die können?

• cloudfreie Schnittstelle fürs Monitoring und Steuerungsmöglichkeiten. Nur mit Monitoring kann ich verstehen was vor sich geht und wie ich im Laufe der Zeit optimieren und sparen kann.
• einfache Technik zum selbst installieren dann brauchts keine Wartungsverträge oder Serviceeinsätze
• wir wollen eine kleine Leistung haben, uns reicht es den Fussboden zu temperieren damit dieser nicht fußkalt ist. Notfalls heizen wir mit dem Kachelofen zu.
• Niedrige Vorlauftemperatur für Fussboden geeignet.
• Steuerung der Leistungsaufnahme um eigene Photovoltaik oder günstigen Börsenstrom nutzen zu können.
• Nieriger Invest, damit wir uns eine zweite Chance leisten können.

Cloudfähigkeit ?

Irgendwann war klar, die grossen Vertriebsfirmen fallen für uns raus. Es wird wohl eine asiatische Anlage werden, dort sind Wärmepumpen und Split-Klimaanlagen schon Jahrzehnte im Einsatz.

• Am Liebsten eine Firma, die eigene Kompressoren und Inverter herstellt und die einzelnen Komponenten gut zusammenstellen kann.
• Toll wäre eine Wärmepumpe die es in dieser Version schon in n-ter Generation gibt. 
• eine REST-API, ein JSON-Interface, eine MQTT-Schnittstelle und/oder eine lebendige Community würde ich mögen.
• definitiv nix was eine Cloud-Anbindung benötigt!
• Wir liebäugeln mit Daikin, Nibe und Panasonic.

über Geishas habe ich damals viel gelesen als im anderen Haus die Brennwert-Pelletheizung eingebaut habe. Das waren einfache Monoblocks von Panasonic. Danach kam die Heisha und nun ist die Jeisha auch schon im zweiten Jahr. Die Spitznamen kamen von der Generationenbezeichnung Version G, H, J. 

Ein Monoblock ist ein kompaktes Gerät ohne Innenteil, ohne aufgeteiltem Kältemittelkreislauf für dessen Bearbeitung man einen Kältemittelschein benötigt. Der Monoblock muss lediglich ans Stromnetz angeschlossen werden und der Vorlauf und Rücklauf wird an die bestehende Heizungsanlage angeklemmt. 

Dimensionierung, Auslegung

Lange Rede kurzer Sinn, über diverse Berechnungen und Annahmen haben wir uns dann auf eine Heizlast von 50W/m² festgelegt. 
Somit könnte uns eine Wärmepumpe mit 5kW thermischer Leistung reichen weil 50W/m² x 70m² ergibt 3.500 Watt.
Da wir so viel wie möglich selbst machen wollten haben wir uns für einen Monoblock entschieden. Da braucht es keinen Kälteschein zur Installation. Alles steht draussen und wird nur an Vorlauf und Rücklauf angeschlossen.
Als das Haus noch ein Airbnb war haben wir einen 270l Warmwasserspeicher mit 3stufigem Heizstab angeschafft. Damals haben wir schon darauf geachtet dass ein grosser Wärmetauscher speziell geeignet für Wärmepumpe oder Solarthermie auch dabei ist. Den haben wir uns vom örtlichen Installateur noch einschleifen lassen.

Wir haben eine Panasonic Monoblock WH-MDC05J3E5, ein 3-Wege Umschaltventil von Afriso, einen Superfilter und folgende Modifikationen zur Wärmepumpe bestellt:
– Ausbau des kleinen internen Membranausgleichsgefäßes
– Schalldämmung Kompressor und Gehäuse
– Gehäusebodenheizung

Panasonic liefert seit 2008 Aquarena Wärmepumpen nach Europa.

Ansteuerung

Dazu haben wir eine kleine ESP-Platine gekauft und mit der Heishamon Firmware versehen. Jetzt kann ich mich mit der Wärmepumpe in JSON und MQTT unterhalten. Darüber mache ich das Monitoring und die Steuerung. Durch die ESP-Erweiterung Rules kann ich direkt Bedingungen für den Betrieb hinterlegen.

Warum das ganze mit dem Monitoring?

Ganz einfach, wir waren nicht nur radikal im Weglassen der Heizmöglichkeit im OG, sondern wollen auch ganz auf Thermostate, Ventile und Einzelraumregelung verzichten. Das heisst, die Wärmepumpe arbeitet Aussentemperatur-geführt auf Basis der Heizkurve. Die Heizkurve und der hydraulische Abgleich geben den Wärmeverlust des Hauses wieder. 
Ich kann es hier abkürzen es funktioniert super. Selbst bei Schwankungen der Aussentemperatur von -4 bis -12° ändert sich die Temperatur im EG nur im 1/10 Bereich. Es ist immer und überall im EG gleich warm. 
Heizt du noch oder temperierst du schon?

Wie betreibe ich die Wärmepumpe?

Natürlich im effektivsten Modus. Das ist für mich als Mechaniker natürlich ein sparsamer Dauerbetrieb ohne Takten oder Überlastungen. Dazu lasse ich die ganzen Experimente wie Leisebetrieb etc. komplett weg. 
Bei der Auslegung der Fussbodenheizung habe ich die Heizkreise so dimensioniert dass ich mit einem Durchfluss von 18l/min hinkomme. Damit erreiche ich mit 1.080l/h deutlich mehr als die Mindesforderung von 800l/h und kann also den Inverter frei laufen lassen. 
Bei der Aufstellung bin ich statt der mindestens 30cm Wandabstand auf 60cm Wandabstand gegangen. Die Wärmepumpe sitzt tiefer als das Fussboden-Niveau und sie ist unter dem Dachüberstand. Nach unten habe ich 50cm Platz damit das Tauwasser beim Abtaubetrieb ungehindert ablaufen kann und nicht anfriert. 

Beispiele zum Monitoring

Wichtig sind für mich die Vorlauf- und Rücklauftemperaturen in Verbindung mit der Aussentemperatur und der Innentemperatur. Damit kann ich sehen, ob der Inverter sich gerade soviel Leistung nimmt wie benötigt wird. Ich habe eine Spreizung von 3K eingestellt. Damit komme ich bei einem Durchfluss von 18l/min auf eine mögliche thermische Leistungsabgabe, da sind sie wieder, die 3,7kW.

Bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt war es aufwendiger die Heizkurve anzupassen da die Wärmepumpe sehr effektiv läuft und bei einem Energiebedarf von weniger als 400W elektrisch dann abschält. Das solle sie nicht zu oft und nicht zu kurz hintereinander machen, das wäre dann das unerwünschte takten. Die Panasonic hat einen modernen Inverter und kann die Leistung modulieren. 

Ihr seht ganz rechts unten die Innentemperatur in einer Ecke von 2 Aussenwänden. Es klappt also gut.

Warmwasser

Der Panasonic Monoblock kann auch Warmwasser. Da wir im Trinkwasserspeicher sowohl einen Wärmepumpentauscher als auch einen 3stufigen Heizstab haben, muss das nicht die Wärmepumpe sein. Momentan lassen wir aber das Warmwasser machen, denn sie arbeitet sparsamer als der 1:1 Heizstab, der eigentlich mit PV-Strom betrieben werden soll. Unsere Wärmepumpe kann frei entscheiden wann sie die Warmwasseraufbereitung macht, so kann das auch nachts ein. Wichtig ist nur, es muss Warmwasser zum Duschen vorhanden sein. Da waren wir kompromisslos.

Wir habe eine Vorgabe für die Mindest-Temperatur Warmwasser angegeben. Zudem haben wir den Temperaturfühler in der Mitte des Speichers montiert. Somit ist der Teil über dem Sensor noch deutlich wärmer. Der Wärmepumpe haben wir eine maximale Dauer für die Warmwasserbereitung vorgegeben. Sie darf bei uns 1h dafür nutzen. Das ist wenig Zeit, so nimmt sie den internen Heizstab zu Hilfe und kommt auf mehr als 1kW elektrische Leistungsaufnahme. 
Das kann aber detailliert vorgegeben werden. Man könnte der Wärmepumpe auch 2 Stunden Zeit geben und den Heizstab erst ab -10°C zulassen. Das würde sie auch schaffen. Allerdings ist hierbei an das 3-Wege-Ventil zu denken. Das entscheidet ob der Vorlauf in die Fussbodenheizungsrohre oder in den Warmwasserspeicher geht. Natürlich will ich keine 50° im Fussboden haben und das stellt das 3-Wege-Ventil sicher. Es klemmt sozusagen den Fussboden vom Vorlauf ab. 
Da kommt wieder die Zeitdauer ins Spiel, vielleicht möchte ich ja garnicht, dass 2 oder 3 Stunden lang nicht geheizt wird? Speziell bei Heizkörpern muss das berücksichtigt werden. Bei uns mit der guten Dämmung und der Fussbodenheizung spüren wir die Warmwasserbereitung überhaupt nicht.

Lautstärke

Das ist schwierig zu beschreiben. Ich empfinde die Wärmepumpe als extrem leise. Wir haben sie in Sorge davor schon schallgedämmt bestellt. Jedenfalls ist es so, wenn ich dran vorbeilaufe, spüre ich am Luftzug, dass sie läuft. Um sie zu hören muss ich aufmerksam sein. An der Grundstücksgrenze ist nur der drehende Lüfter zu sehen, zu hören ist nichts.
Laufe ich an der Wärmepumpe vorbei, sind meine Schritte auf dem Kiesweg lauter als die Geräusche der Wärmepumpe.

Jetzt die Raketenwissenschaft: Anschluss!

Es braucht zwei 3-adrige Leitungen mit 1.5mm² vom Sicherungskasten zur Wärmepumpe. Einmal für die Wärmepumpe an sich und einmal für den integrierten 3kW Heizstab. Fi und Anschlussterminals sind im Anschlussbereich vorhanden und in der Doku gut beschrieben.

Hier seht ihr die hydraulische Schnittstelle zum Haus. An diese Anschlüsse kommen zwei Flex-Schläuche. Einer für Vorlauf und einer für Rücklauf. Habt ihr schon eine wassergeführte Heizung ist damit der hydraulische Anschluss fertig. Ein Monoblock braucht keinen Techniker mit Kälteschein.

Mein Hydraulikschema ist sehr einfach, es gibt lediglich eine Fussbodenheizung mit einem Verteiler, ein 3-Wege-Ventil für die Warmwasserbereitung und einen Speicher mit Wärmetauscher-Wendel für das Warmwasser. In der Speichermitte ist ein Temperatursensor und ein weiteres 2adriges Kabel führt zur Bedienheinheit im Wohnraum.

Kaufpreis

Jetzt die Söder-Taler (300.000). Nein, soviel war es nicht. Die 3. Position ist die Wärmepumpe mit optionaler Schalldämmung. Der Rest ist Installationsmaterial und gedämmte Konsolen, sogenannte Elefantenfüsse.

Heizkosten

Einbau war Anfang Dezember 2023 und ich will euch noch an meinen Heizkosten teilhaben lassen. 
Den Strom produzieren wir selber, zumindest wenn kein Schnee auf der PV liegt oder wenn wochenlang Regen angesagt ist. In diesen Zeiten fahren wir eine Winterstrategie und kaufen zum stündlichen, börsenorientierten Preis unseren Strom ein. Wir laden zur günstigsten Tageszeit den Batteriespeicher voll und versorgen uns dann daraus den Tag über. 

Damit erreichen wir diese Heizkosten und Fahrtkosten:

Optimierungen

• Ihr wollt noch mehr sparen?
• Ihr wollt die Wohnung bei günstigem Strom (tibber oder PV) überheizen?
• Ihr wollt den Warmwasserspeicher bei günstigem Strom überheizen?

Hier findet ihr ein paar Formeln die euch wahrscheinlich wieder auf den Boden zurückholen.