Monoblock-Wärmepumpe: Was passiert bei Frost und längerem Stromausfall?

sailor773

Moin Gemeinde,

mein heutiges Thema wurde schon ein paarmal in anderen Threads angesprochen, die ich aber mit meiner Frage nicht kapern wollte. Mir geht es um folgendes:

Wir werden früher oder später (wenn unser Vitotwin mal nicht mehr will) unsere Heizung auf eine Wärmepumpe umstellen – die Frage ist nur was für eine. Mit einer Split-WP haben wir in den 1980er Jahren schlechte Erfahrungen gemacht. Es wurde ja hier auch vielfach auf die Vorteile von Monoblock-WP's im Vergleich zur Split-Aufstellung hingewiesen, und manche guten WP's (wie z.B. die Lambda) sind überhaupt nur als Monoblock erhältlich.

So wie ich das verstanden habe ist der einzige wirkliche Nachteil von Monoblock-WP's die Gefahr eines Einfrierens der Heizkreis-Seite bei längerem Stromausfall: Wenn also – anders als bei einer reinen WP-Störung – die Umwälzpumpe nicht läuft, die bei Frost und WP-Stillstand das Einfrieren durch Zuführen von Wärme aus dem Haus verhindern soll.

Als Standardlösungen für dieses Problem wurden hier nach meinem Verständnis zwei Wege diskutiert:

Frostschutzmittel: Erfordert das Zwischenschalten eines Wärmetauschers zum Heizkreis, also eine zusätzliche Investition sowie Kompromisse beim Wirkungsgrad: Meines Wissens braucht jeder normale Wärmetauscher mindestens fünf (besser zehn) Kelvin Temperaturdifferenz um ausreichenden Wärmedurchgang zu haben. Deshalb muss die WP bei gegebenem Wärmebedarf eine höhere Temperaturdifferenz aufbringen als ohne WT, und das geht auf den COP.
Bei längerem Stromausfall das Wasser ablassen: Hier ist die Frage ob man das (einschließlich dem späteren Wiederauffüllen) als Laie hinkriegt ohne was kaputt zu machen. Dafür den Heizungsbauer zu rufen ist vermutlich keine Alternative.

Und deshalb meine Fragen:

1) Gibt es bei der Frostschutz-Methode Lösungen, welche die COP-Verluste durch den zusätzlichen Wärmetauscher minimieren? Und wie hoch sind die Verluste dann noch?

2) Zur Ablass-Methode: Gibt es Schätz- oder Erfahrungswerte, wie lang eine Monoblock-WP beispielsweise bei minus zehn Grad stillstehen kann, bevor sie einfriert? Minuten oder Stunden oder gar länger? Ich denke da an die Gefahr, dass der Strom (gemäß Murphy's Law) in einer kalten Winternacht genau nach dem Zubettgehen ausfällt und man über viele Stunden nichts davon merkt. Ist dann ggf. am nächsten Morgen (wenn immer noch kein Strom da ist) noch Zeit das Wasser abzulassen, oder muss man dann z.B. das Ablassventil womöglich schon mit einem Gasbrenner auftauen (sofern man einen parat hat)?

3) Wäre es eine Alternative, bei Stromausfall stattdessen die Umwälzpumpe aus einem Notstrom-fähigen Stromspeicher oder einem Notstromaggregat laufen zu lassen? Dass das nicht ewig geht ist klar, aber einen oder zwei Tage könnte man damit vielleicht überbrücken. Eine PV mit Stromspeicher dürften ja viele WP-Betreiber haben.

4) Oder bin ich völlig auf dem Holzweg und das stimmt alles nicht oder es gibt viel bessere Lösungen?

Für Input aus Eurem Fachwissen und Erfahrungsschatz wäre ich dankbar.

GM1967

Bei Daikin zB werden Frostschutzventile verbaut.

Viessmann arbeitet, meine ich, mit einer Sollbruchstelle.

Die Gefahr Stromausfall halte ich für gering. Wesentlich größer ist die Gefahr bei einem Defekt, zB der Pumpe. Da die Geräte idR spezielle Pumpen haben, müssen diese zuerst bestellt werden, da sie kaum Lagerware sind.

Dachsfan

Zitat von sailor773

Für Input aus Eurem Fachwissen und Erfahrungsschatz wäre ich dankbar.

Eigensicher ist eine Wärmepumpenanlage nur, wenn auch wenn man im Urlaub ist und der Strom ausfällt oder ein technischer Defekt an der WP auftritt, kein Frostschaden entsteht.

Zitat von sailor773

Meines Wissens braucht jeder normale Wärmetauscher mindestens fünf (besser zehn) Kelvin Temperaturdifferenz um ausreichenden Wärmedurchgang zu haben.

Das ist meines Wissens nicht der Fall, wenn der Wärmetauscher gross genug ist, z.B. ein Rohrwärmetauscher im Speicher. Da reichen 3 Kelvin, bei einer Unterdimensionierung des WT, sei es ein Plattenwärmetauscher ist mit einer höheren Differenz zu rechnen.

bluwi

Da ich kein Heizungsbauer bin, bin ich formal kein Fachmann, allerdings habe ich gelernt, dass Heizungsbauer keine Gewähr für eine optimale und durchdachte Lösung sind. Deshalb steht bei mir der gesunde Menschenverstand im Vordergrund.

Zunächst stellen sich die Fragen, wo kann was passieren, wie viel Schaden kann dabei entstehen und wie groß ist die Wahrscheinlichkeit. Und natürlich: Welche Kosten fallen für die Vermeidung der Risiken an.

Meine Überlegungen:
- Richtig Geld kostet es, wenn die WP selber einen Frostschaden erleidet. Das ist also primär zu vermeiden.

- Die Wasserleitungen sind zwar in bestimmten Bereichen gefährdet, aber das sind kurze Stücke und der Schaden hält sich in Grenzen. Es wäre aber lästig, wenn sich die Heizung über einen Frostschaden entleert. Auch das soll möglichst verhindert werden, aber „nur“ mit Priorität 2.

- Schutzmaßnahmen wie ein zusätzlicher WT, auch wenn der nur 3K an Temperaturdifferenz kostet, dann summiert sich das in den Stromkosten über die Zeit doch erheblich. Außerdem kostet der WT ja auch nicht unerheblich Geld. Nebenbei braucht der auch eine zusätzliche Umwälzpumpe, die ebenfalls Strom kostet, eine Fehlerquelle darstellt und gesteuert / geregelt werden will. Ergo: Gefällt mir nicht wirklich

- Auch Frostschutz ist ein Kostenfaktor, weil er die Wärmeübertragung verschlechtert.

Mein Lösungsansatz für meine Anlage (Monoblock Panasonic Aquarena ).

Die WP hängt direkt im Heizkreis, kann aber durch Absperrventile von diesem getrennt und für sich entleert werden. Dabei ist natürlich darauf zu achten, dass das Wasser aus der WP wirklich abläuft, was hierbei die schwierigste Aufgabe war. (Die Absperrventile erleichtern auch den Tausch der WP.)

Theoretisch könnte man das automatisieren, um die von Dachsfan angesprochene „Urlaubssicherheit“ zu bekommen, wenn dann aber im Urlaub das ganze Haus einfriert . . ???.
Mir war das zu viel Aufwand, ich setze da auf manuellen Eingriff (habe im Notfall Geschwister und Kinder).

Das Ablassen ist aber nur die 3. und letzte Schutzebene. Eigentlich setze ich darauf, dass ich das Einfrieren verhindere.

1. Schutzebene: Ich habe eine Heizungsredundanz, die würde ich auch jedem empfehlen. Bei mir ist das ein Holzkessel, der am Notstrom laufen kann. Beim Ausfall der WP wird sie aus der Hilfsheizung durchströmt und sicher am Einfrieren gehindert.

2. Zusätzlich habe ich in der WP 4 Grablichter (je 24Std) und eine Schachtel wasserdicht verpackter Streichhölzer deponiert. Zwei dieser Kerzen heben die Temperatur in der WP um gut 12K an. (daraus zu schließen, dass 4 Lichter 24K bringen würden ist allerdings irrig, weil da durch Konvektion mehr Wärme abgeht.) Die 4 Lichter reichen 2x24 = 48 Std.

Die 85cm Rohrleitung von der WP in den Boden sind (natürlich innerhalb der Isolation) mit einer zweiadrigen Kupferleitung umwickelt (dünner Draht, lange Leitung), die an einem Ende kurzgeschlossen ist und am anderen Ende mit 3-4 V gespeist werden kann (1 Lithiumzelle) . Verbraucht dann 3,2-3,6 Ampere und bringt damit eine Heizleistung von gut 10 W. Das reicht üppig, um das Stück Rohr frostfrei zu halten (muss nur zeitweise eingeschaltet werden).

Nur wenn Stufe 1 & 2 ausfallen, kommt Stufe 3, das dürfte aber eher was für eine gute Nachtruhe sein.

Inwieweit das auf andere Installationen passt, muss man im Einzelfall anschauen. Auch da wird es dann auf ein gesundes Maß an Verstand ankommen.

Dachsfan

Zitat von bluwi

Auch Frostschutz ist ein Kostenfaktor, weil er die Wärmeübertragung verschlechtert.

Ich habe neben der Lufti noch eine Soli so das auch wir bei Ausfall einer Wärmepumpe noch mit Wärme versorgt werden. Als Spitzenlast dient eine 30 kW Brennwerttherme, sowie als KWK Anlage für Strom - uns Wärme ein Dachs.

Die Soli verwendet ebenfalls Frostschutzmittel, da aus den Bohrlöchern bis zu - 10 Grad gepumpt wird und ein Einfrieren verhindert werden muss. Die Verwendung von Frostschutzmittel ist wie ich bereits schrieb auch in Solaranlagen Stand der Technik, weil notwendig.

Nun den aus meiner SIcht lediglich theoretischen schlechteren Wirkungsgrad und notwendige Kosten zum heiligen Gral zu machen, erscheint mir unangemessen. Es geht ja nicht nur um den Schaden in der Wärmepumpe und mögliche Zerstörung der Zuleitung, sondern um das Austreten des Kältemittel. Dies ist sicher zu vermeiden und ein entsprechende Vorsorge sehe ich als Pflicht.

So jedenfalls wurde es in den Lehrgängen zu Wärmepumpen vermittelt.

sailor773

Klar, sofern es keinen anderen sicheren Weg gibt, dann ist der Schutz der WP natürlich wichtiger als Einbußen beim Wirkungsgrad.

Aber warum ist der Wirkungsgrad aus Deiner Sicht "lediglich theoretisch" schlechter, das hieße doch für die Praxis weitgehend irrelevant?

Die Heizkurve in unserem Haus verlangt für die häufigste Wintertemperatur von Null Grad eine Vorlauftemperatur von 35°C. Betrachtet man ein WP-Kennfeld wie das von der Lambda (siehe Anhang), so würde sich damit ein COP von etwa 4,9 ergeben. Erhöht man nun die von der WP aufzubringende Temperatur um fünf Grad Temperaturdifferenz für den Wärmetauscher, so landet man in dem Kennfeld bei einem COP von ca. 4,4. Das würde einem Mehrverbrauch von ca. 10% entsprechen. Bei anderen Außentemperaturen und auch bei der Warmwasserbereitung ist die Größenordnung dieselbe.

Dabei geht es mir nicht darum ob die in dem Diagramm gezeigten COP's in der Praxis erreichbar sind. Auch mit real schlechteren COP's bliebe der relative Mehrverbrauch für den Wärmetauscher von ca. 10% im Wesentlichen erhalten.

Diese Überlegung war der Anlass für meine Eingangsfrage. Nochmal, wenn es keine andere Möglichkeit gibt muss man da halt durch. Aber aus meiner Sicht lohnt es sich für 10% Mehrverbrauch nachzudenken, ob es nicht auch noch andere Lösungsansätze gibt um die Sicherheit der WP zu gewährleisten.

Bernd der Dachsgebeutelte

Stromausfall macht mir die geringsten Sorgen.

Notfalls einen Moppel besorgen und 20 Liter Sprit daneben stellen.

Eher kommt es zu mechanischen Problemen.

Da die meisten auftreten wenn man eben erst auf die andere Seite der Welt gereist ist ohne Online Zugang oder Telefon. Hilft nur eine Frostschutzventil das man vorm Urlaub aktiviert.

Das entleert nur den Teil der nicht frostfrei bleibt.

Das Wiederbefüllen mit Wasser ist einfach, die meisten Anlagen haben eine automatischen Entlüfter und ein entsprechendes Entlüftungsprogramm, das sorgt für eine einfache Wiederbefüllung.

Handbuch lesen und ausprobieren senkt den Blutdruck wenn's passiert.

Dachsfan

Zitat von sailor773

Erhöht man nun die von der WP aufzubringende Temperatur um fünf Grad Temperaturdifferenz für den Wärmetauscher

Ich erkläre es mal an einem aktuellen Beispiel der Warmwasserbereitung. Die Wärmepumpe wird aktiviert, moduliert langsam hoch und wenn sie volle Leistung hat moduliert sie auch wieder runter, weil die Arbeit getan ist. Dabei liegt die Temperatur des Frostmediums nur unwesentlich über dem des Heizungswassers aus dem mittels Frischwasserstation warmes Trinkwasser bereitet wird.

Warum sollte die Flüssigkeit in einem Rohr fünf Grad über der Temperatur außerhalb des Rohres liegen ? Ich schätze diese auf maximal 2 Kelvin ein. Aber wie auch immer Verluste hat man überall, in den Leitungen, Speicherstillstandsverluste, Zirkulationsverluste usw.

Das ist nichts was mich interessiert.

Ein Rohrwärmetauscher in einem Speicher hat eine sehr große Wärmeübertragungsfläche und daher eine hohe Effizienz des Wärmetauschers.

Je kleiner die Temperaturdifferenz (Grädigkeit), desto größer ist die Wärmeübertragungsfläche und desto höher die Effizienz des Wärmetauschers oder gern umgekehrt, je effizienter der WT desto kleiner die Temperaturdifferenz (Grädigkeit).

Einfach 5 Kelvin anzunehmen ist also nicht fachgerecht. Ebenfalls ist die Temperaturdifferenz abhängig von der Übertragungsleistung, wenn ich moduliere, ist sie ebenfalls geringer. Bei 35 Grad SOLL wie gesagt mehr als 2 Grad kann ich mir nicht vorstellen.

bluwi

Zitat von Dachsfan

Ich schätze diese auf maximal 2 Kelvin ein.

Um die Diskussion abzukürzen nehmen wir doch mal die 2K als Rechengrundlage, dann steigt der Stromverbrauch dadurch um ca. 4%. Nicht eingerechnet ist der verschlechterte Wärmetransport durch den Frostschutz.

Die Google-KI spricht von 27-42kWh/a pro m² als Durchschnitt für den Stromverbrauch der WP. Bei angenommenen 3.500kWh für eine 100m² Wohnung wären das 140kWh. Hinzu kommt der Strom für eine zusätzliche Umwälzpumpe von geschätzt 50-70kWh/a. Also insgesamt 200kWh pro Jahr (zusätzlicher Verbrauch)

Nun kommt die Gretchenfrage, welchen CO2-Abdruck man für eine WP ansetzen muss. Der deutsche Mix wird aktuell mit etwas über 300g / kWh Strom angenommen (im Winter dürfte das deutlich zu optimistisch sein). Dabei kämen dann 60kg CO2 pro Jahr als Zusatzausstoß für den Wärmetauscher raus.

Dem gegenüber stehen z. B. 1,5kg Propan bei einer Wärmepumpe von Lambda. Bei einem GWP von 3 macht das ein Äquivalent von 4,5kG.

D. h., wenn der Verdampfer jährlich einmal auf-frieren würde, wäre die Bilanz noch immer 10 mal besser, als das zusätzlich ausgestoßene CO2 durch den Zusatzwärmetauscher.

Zitat von Dachsfan

sondern um das Austreten des Kältemittel. Dies ist sicher zu vermeiden und ein entsprechende Vorsorge sehe ich als Pflicht.

Soweit zu diesem Thema

Dachsfan

Zitat von bluwi

D. h., wenn der Verdampfer jährlich einmal auf-frieren würde, wäre die Bilanz noch immer 10 mal besser, als das zusätzlich ausgestoßene CO2 durch den Zusatzwärmetauscher.

Auf jeden Fall wäre der Wärmetauscher Wasser / Kältemittel ( Propan ) kaputt gefrohren, dürfte mit Service mind. 2 tsd. Euro sein.

Aber kann jeder machen wie er mag, bei mir ist Frostschutzmittel drin.

Es gibt nicht wo nur "Sonne" also nur Vorteile sind, Nachteile kaufst Du immer mit dazu.

Zitat von bluwi

welchen CO2-Abdruck man für eine WP ansetzen muss. Der deutsche Mix wird aktuell mit etwas über 300g / kWh Strom angenommen (im Winter dürfte das deutlich zu optimistisch sein). Dabei kämen dann 60kg CO2 pro Jahr als Zusatzausstoß für den Wärmetauscher raus.

Jedes Lebewesen hinterläßt seinen Fußabdruck auf dem Planeten, wir Menschen sowieso.

Wir ( meine Frau und ich ) haben uns mit Mitstreitern für Solartechnik vor über 40 Jahren eingesetzt, PV Anlagen erstellt, KWK Anlagen erstellt auch um die Umwelt zu schonen.

Es ist toll das sehr viele hier Ihre Anlagen vorstellen und Verbesserungen diskutieren.

Die Tatsache jedoch, dass wir "Umweltbelastend" sind und so sehr wir uns auch bemühen bleiben, werden wir nie ändern können.

Ehrlich gesagt stimme ich Dir insoweit zu, dass selbstverständlich das Kältemittel auch etwas Energieverlust bedeutet.

Nun wir haben Thermische Solaranlagen und PV Anlagen die das ausgleichen. Auch die Solaranlagen könnte man ja ohne Frostschutz betreiben, derartige System gibt es ja, die im Winter entsprechend beheizt werden und ebenfalls errechnet wurde, dass hier die Energieersparnis durch das beheizen im Winter günstiger sei.

Ich jedoch habe mich für Frostschutzmittel wie ich auch in den Fahrzeugen habe entschieden.