Rendite oder Amortisation? – Ohne Gebäudeautomation keine Energieeffizienzmaßnahmen - Smarte Wärmepumpen-Regelung mit Einbindung in die Gebäudeautomation

Durch die Nutzung der regenerativen Energien u.a. mittels PV-Modulen und Wärmepumpen wird eine wachsende energetische Unabhängigkeit erreicht. Aufgrund der ständigen Innovationen in der Elektronik steigt auch das Interesse der Einsatzvarianten von Wärmepumpen und deren energetische Vernetzungsstrukturen. Mit den optimierten Regelungssys­temen im integrierten Energiemanagement wird das bisherige Dilemma von Energieangebot und -nachfrage in den Winter- und Sommermonaten aufgehoben. Zudem kann inzwischen mit dem intelligenten Management die Tag-Nacht-Problematik mit der Wärmepumpe, den Stromquellen und Speichern stark reduziert werden. Im optimalen Fall arbeitet die Wärmepumpe mit einem Wasserspeicher und einer Solarthermie- bzw. einer Solarstromanlage sowie mit den wichtigsten Stromverbrauchern innerhalb des Gebäudes nach festgelegten Prioritäten. Aber es geht noch optimierter, denn der Sommer-Kühlbetrieb und die kontrollierte Wohnraumlüftung können mit gemanagt werden. Wenn die Stromlieferanten zudem ihre Tarifzonen über den Tag verteilt anbieten sollten, könnte hier noch eine Preisoptimierung eingezogen werden. Oder das ganze Energiesystem hängt in einem regionalen Smart-Grid-Verbund, der z.B. mit einem eigenen Stromangebot die Netzstützungsfunktionen realisiert.

Gebäudeautomation
Mittlerweile ermöglicht die Technologie der Gebäudeautomation, möglichst komplexe und ausgereifte Energieeffizienzlösungen zu realisieren und den Betriebskomfort anzuheben. Mit einer dem Betrieb optimal angepassten Gebäudeautomation (GA) können sämtliche technischen Systeme energieeffizient gesteuert und geregelt sowie jederzeit die Energieverbrauchsdaten erfasst werden.
Die Wärmepumpen als Bestandteil der modernen Gebäudetechnik werden heute zunehmend in die Netzwerke der Gebäudeautomation eingebunden. Zur Einbindung werden für den Wärmepumpenmanager u.a. spezielle  Kommunikationsmodule benötigt, damit der Nutzer bzw. Anlageneigner die Wärmepumpe z.B. über eine Ethernet- oder KNX/EIB-Verbindung ansteuern oder die Betriebsdaten mithilfe eines PCs bzw. Smartphones oder Tabs auslesen kann.

Smart Metering und SmartHome
Zur optimalen Eigenstromnutzung muss der Solarstromeigner bzw. -nutzer die nach der EEG festgelegten Randbedingungen beachten. Für das Einspeisemanagement einer PV-Anlage unter 30 kWp ist nach dem EEG eine fixierte Leitungsbegrenzung auf 70% der installierten Modulleistung oder eine fernsteuerbare Leis­tungsbegrenzung vorgegeben.
Der Markt für Smart Meter und Smart Home expandiert zunehmend. Konzepte wie Smart Home schaffen neue Dimensionen zur Energieeffizienz. Eine Gateway-Verbindung lohnt sich, wenn der Nutzer sein Gebäude auf Basis der Smart Meter Gateway und/oder in Kombination mit einer Smart Home komfortabler ausführen möchte, sicherer gestalten, die TGA steuern und regeln sowie weitere Dienstleis­tungen in Anspruch nehmen möchte. Smart-Home-Lösungen sparen nicht nur komfortabel Energie, sondern bieten auch die Sicherheit für das gesamte Gebäude (Eigenheim, Wohnhaus, Bürogebäude oder Kleinbetrieb). Mit nur einer App lässt sich zudem das gesamte Gebäude fernsteuern.
Zur richtigen Zählerauswahl ist die Entscheidung nach der Datensicherheit und die Gesamtfunktionalität ausschlaggebend. Jedes Gerät enthält eine Kommunikations-Schnittstelle zum Kunden sowie eine Ethernet-Schnittstelle, die auch zum Steuern der Lasten genutzt werden kann. Zudem werden in Deutschland anstatt integrierte auch modulare Lösungen favorisiert.
In Deutschland besteht nach dem EEG seit Mitte 2013 der Ausbaupfad für Smart-Meter, der eine kostenoptimierte Einführung zur Integration von intelligenten Zählern für Verbraucher mit mehr als 6000 kWh im Jahr reglementiert. Nach dieser Regelung sind aber die meisten Privathaushalte von einer Installation der „intelligenten Messstellen“ (Smart-Meter-Gateway), die BSI-zertifiziert sein muss, nicht betroffen, weil ein Durchschnittshaushalt nur ca. 3500 kWh verbraucht. In den normalen Haushalten müssten daher lediglich „intelligente Zähler“ installiert werden, die nur eine Fernauslesung erlauben.  
Mit der Novellierung des Energiewirtschaftsgesetzes begann auch der Einsatz der digitalen Stromzähler. Durch den Einsatz „intelligenter“ Stromzähler (SmartMetering) wird nicht nur eine automatische Fernablesung des Verbrauchs ermöglicht, sondern auch das Lastmanagement realisiert. Seit dem 1. Januar 2010 ist die „intelligente“ Verbrauchsmengenerfassung (Smart Metering) entsprechend der EU-Direktive auch nationales Recht (Energiewirtschaftsgesetz; EnWG).
Die Stromzähler-Infrastruktur ist ein wichtiger Schritt, um das Ziel 20-20-2020 der EU zu erreichen, das besagt, dass 80% der Haushalte bis 2020 mit intelligenten Stromzählern ausgestattet sein müssen und die Markteinführung bis 2022 vollständig abgeschlossen sein muss.
Der europäische Markt für Advanced Metering Infrastructures (AMI) wird durch die neuen, intelligenten Netztechnologien, die das verbesserte Energiemanagenent unterstützen, angekurbelt. Der Markt wird zudem nicht nur in den Segmenten der intelligenten Stromzähler und Installationen höhere Wachstumsraten verzeichnen, sondern auch in den Bereichen der Kommunikationssysteme, Netzwerke sowie im Bereich des Kunden- und Programm-Datenmanagement. Seit 2003 hat sich der Anteil der Regenerativen Energien an der Stromerzeugung von 7,5% auf über 23% erhöht. Von der Bundesregierung wurde bis 2020 ein weiterer Anstieg bis auf 35% prognostiziert.
Die EEBus Initiative hat es sich zur Aufgabe gemacht, mit Inhalten und Prozesstechnologien das zukünftige Demand Reponse Management zu definieren, um dieses Lastverschiebungspotenzial zu bewältigen.

BUS-Systeme nutzen Synergieeffekte
Parallel zu den steigenden dezentralen Stromerzeugern, wie z.B. PV-Solarstromanlagen, haben sich die Anforderungen an das öffentliche Stromnetz grundlegend verändert. Bereits heute stehen umfangreiche Geräte bereit – von Kühlschrank, Waschmaschine und Trockner bis zum Wechselrichter sowie von der Wärmepumpe bis zur Ladesäule der Elektromobilität. Die von den Zählern (Strom, Gas, Wasser, Wärme) gemessenen Werte werden gesammelt, gespeichert und über Standart-Schnittstellen (Ethernet oder optional GSM/UMTS) an den Versorger oder in den Haushalt übertragen.
Die modernen Wärmepumpen werden als Bestandteil des Smart Home zunehmend in die Netzwerke der Gebäudeautomation eingebunden. Damit wird realisiert, dass die Wärmepumpe z.B. über KNX oder Ethernet angesteuert wird und die Betriebsdaten mittels PC oder Smartphone ausgelesen werden können.
Beim KNX handelt es sich um das derzeit marktführende intelligente Bussystem im Smart Home-Bereich, das sämtliche wichtigen haustechnischen Funktionen und Sicherungssysteme verbindet und zusammenführt. Eine Aufrüstung der bestehenden TGA-Relungstechnologien lässt sich mit „smartem“ Wasser-, Wärme- und Kältemengenzähler und der KNX-Technolgie realisieren. Mit der KNX-IP-Softwareerweiterung für das ISG kann die Wärmepumpe über den KNX-IP-Router in das KNX-Smart Home eingebunden werden.
Mithilfe einer intelligenten Vernetzung lassen sich im Gesamtsystem durch Lastverschiebung enorme Energiepotenziale nutzen. Smart Home und Smart Grid können aber nur dann zum Erfolg führen, wenn die wichtigsten Produkthersteller auf einer einheitlichen und übergreifenden Ebene kooperieren. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des E-Energy-Programms der Bundesregierung das EEBus–Vernetzungskonzept initiiert. Durch die Einführung des EEBus in nationale, europäische und internationale Normungsprozesse wird ein offener und allgemein akzeptierter Standard geschaffen. Die intelligente Vernetzung mit dem EEBus verbindet auch die Kooperationspartner ABB, Bosch, Busch-Jaeger, Gira, Eaton, Hager, Liebherr, Kostal, Landis & Gyr, Miele, SMA, Schneider Electric, SolarWorld, Soffy, Stiebel-Eltron, Wolf etc.

Auszug der Produkthersteller
Die Wärmepumpen von Glen Dimplex Deutschland, Kulmbach, können mit dem neuen Wärmepumpenmanager über die Erweiterungsmodule in die marktgängigen Netzwerklösungen mit den unterschiedlichsten Aufgaben bzw. Graden der Gebäudeautomatisierung eingebunden werden.
Eine umfassende Lösung für das Smart Home hat Glen Dimplex mit dem „Smart Eco“-System entwickelt, das die Basis zur vernetzten Gebäudetechnik bildet, u.a. mit Dimplex-Wärmepumpen oder RLT-Anlagen. Ermöglicht wird das Ein- und Ausschalten von verschiedenen Verbrauchern, wie Licht und Musikanlagen, sowie die Einbindung von PV-Anlagen in das Stromnetz. Die „Smart Eco“-Zentraleinheit wird in das gebäudeinterne LAN/WLAN mit dem konventionellen Router verbunden und ermöglicht die Ansteuerung unterschiedlicher Verbraucher über Funkstandards EnOcean und Z-Wave bzw. über Powerline.
Die „Smart Eco“-Zentraleinheit sorgt auch dafür, dass bei Zeiten mit geringerer Nachfrage bzw. bei einer Überproduktion im Smart Grid der Solarstrom entweder innerhalb des Gebäudes verbraucht und/oder gepuffert und bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt für Warmwasser bzw. zur Heizungsunterstützung abgeben wird. Mit Smartphone oder Tablet kann per Internet auf die „Smart EcoBox“ zugegriffen werden. Neben der Anpassung von Einstellungen können auch die Betriebs- und Verbrauchsdaten ausgelesen werden.
Im Wechselrichter von Kaco new energy, Neckarsulm, sind der Datenlogger und Webserver integriert, der über das Lastrelais mit der Wärmepumpe mit der RS485-Schnittstelle oder dem „ModBus“ die Verbindung zum Netz und Kommunikation mit dem PV-Anlagenbetreiber herstellt.  Das Energiemanagement ist in ein nachgeschaltetes Monitoringsystem eingebunden und mit einem USB-Port ausgerüstet,  über den der direkte Datenabgriff erfolgen kann.
Die Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, bietet mit dem neuen „Ecodan“ Wärmepumpenprogramm eine Schnittstelle an, über die eine Gebäudeleittechnik auf den Systemregler „FTC.4“ zugreifen kann, mit der auch eine Funküberwachung sowie Änderungen an der Anlageneinstellung möglich sind. Als Basis zur Datenkommunikation dient der „Modbus“ (Protokollerstellung), mit dem die PV-Anlage zur Erhöhung des selbst erzeugten Solarstroms direkt mit der „Ecodan“ Wärmepumpe gekoppelt werden kann.
Die Sole/Wasser-Wärmepumpe „Rotex HPU ground“ von Rotex Heating Systems GmbH, Güglingen, nutzt als Wärmequelle die konstante und kostenlose Erdwärme zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Neben der effizienten Nutzung der Umweltenergie erwirtschaftet die „Rotex HPU ground“ durch die eingesetzte Invertertechnologie eine höhere Effizienz. Die Wärmepumpenregelung erfolgt mit  integriertem Energiemanagement. Die Hybrid-Wärmepumpe „Rotex HPSU compact“ in Kombination mit dem Gas-Brennwertgerät „G-plus“ wird ohne Einsatz eines Elektroheizstabes über das gesamte Jahr eine sehr gute Primärenergienutzung erreichen. Hierbei übernimmt der Wärmepumpenregler das Energiemanagement und schaltet den „G-plus“ lediglich bei Bedarf zu.
Die Solare Datensystem GmbH (SDS), Geislingen-Binsdorf, hat mit dem „Solar-Log“ ein Auswertungs- und Steuerungssystem mit integriertem Datenlogger und Stromzähler für zusätzliche Ausbauoptionen des Eigenverbrauchs entwickelt. Neben den neuen Hardwarekomponenten hat SMS auch die Monitoring-Software „Solar-Log WEB Commercial Edition“ neu entwickelt. Einige Wärmepumpenhersteller können auch direkt in das „Solar-Log“-Managementsystem eingebunden werden.
Zur Steuerung der Stromverbraucher werden Netzwerk-Stromsteckdosen eingesetzt, die durch Belkin WeMoInsight Switches ergänzt werden. Mit dieser Kombination kann der Datenlogger nicht nur die Verbraucher ansteuern und die Verbrauchswerte übermitteln, sondern auch die Verbrauchsrückmeldung erfassen und darstellen. Die SDS GmbH hat mit der Relaisstation eine weitere Einheit zur Eigenverbrauchs­optimierung entwickelt. Die potenzialfreien Relais eignen sich zur Ansteuerung von Motoren, Pumpen, RLT-Klima-Kälteanlagen und weiteren Verbrauchern mit verschiebbaren Lasten. Die „Sol-Log Smart Home Relais Box“ erhält von jedem Relais eine Rückmeldung über die Verbrauchswerte. Neben der Ertragsdarstellung bietet der Einsatz einiger Datenlogger auch die Möglichkeit die Stromverbraucher, wie z.B. Wärmepumpen, automatisch zu- bzw. abzuschalten. Hierzu nutzt der Datenlogger die Spitzenleistungszeiten der PV-Anlage, indem dieser bis zu vier Stromverbraucher zuschaltet, wenn ein vorkonfigurierter Schwellenwert überschritten wird. Zusätzlich zu einem Schwellenwert können individuell auch Tageszeiten und Mindestlaufzeiten eingestellt werden.
Das „Solar-Log“-System wurde um die Option der PV-Solarstromnutzung in Kombination mit einer Wärmepumpe erweitert. Die Anwendungen werden nun auch für weitere Wärmepumpenfabrikate angeboten und lassen sich mittels Protokolleinbindung der Produkthersteller erweitern. Die „Sol-Log Smart Home Relais Box“ gibt verschiedene Schwellenwerte über die Relaiskontakte aus, die sich individuell an die verwendete Wärmepumpe und den Nutzerkomfort anpassen lassen. Einige Wärmepumpenhersteller können auch direkt in das „Solar-Log-Managementsystem“ eingebunden werden.
Die Stiebel Eltron GmbH, Holzminden,  präsentiert eine Bandbreite an Systemlösungen zur energetischen Unabhängigkeit der Gebäude. Die Techologien zur Optimierung der energetischen Betriebsweisen von PV-Modulen in Kombination mit einer Wärmepumpe und Speichertechologien lassen sich damit intelligenter managen und vernetzen. Die Technologien bieten neben der Energieeffizienz weitere wichtige Vorteile wie Erhöhung des Eigenverbrauchs und erweiterten Komfort.

Von Stiebel Eltron wird das Energiemanagement in den Varianten

• Smart mit dem „ISG plus“,
• Intelligent mit „SMA Sunny Home Manager „und
• Komplettlösung mit „KNX Smart Home“ für das intelligente Haus

angeboten.
Die Wärmepumpe  „WWK 300 PV“ von Stiebel Eltron kann mit dem Wechselrichter einer PV-Anlage kommunizieren. Die „WWK 300 PV“ arbeitet dann optimal, wenn sie mit selbst erzeugtem Solarstrom betrieben wird. Eine spezielle Steuerung gewährleistet, dass die „WWK 300 PV“ vorrangig das Wasser dann erwärmt, wenn der günstige, selbst produzierte Solarstrom zur Verfügung steht. Mit dem Wärmepumpenmanager  „WPM 3“ können Schnittstellen zu KNX, einem Bussystem aus dem Bereich Smart Home sowie eine Verbindung zum „Sunny Home Manager“ von SMA realisiert werden. Die Stiebel Eltron-Entwickler haben „WPM 3“ so konzipiert, dass die Heizungsanlage über ein Internet-Service-Gateway netzwerkfähig ist.
Nachdem Stiebel Eltron die Überwachungs- und Steuerungsmöglichkeit für die gebäudeeigene PV-Anlage, d.h. über Router in das Netzwerk mit dem gebäudeeigenen PC oder Smartphone, realisiert hat, wird nun mit der „Smart Energy Extension“ die Hardware-Erweiterung für das „Internet-Service-Gateway plus“ (ISG) verbunden. Mit der erweiterten Version des „ISG plus“ entsprechen die Wärmepumpen von Stiebel Eltron dem einheitlichen Standard „SG Ready“. D.h., sie sind zur automatischen Nutzung von besonders günstigen Strombezugszeiten nach den Vorgaben des Bundesverbands Wärmepumpen e.V. (BWP) geeignet.
Durch das „ISG“ kann die Einbindung der Heizungsanlage per Router in das Netzwerk durchgeführt werden. Es werden keine zusätzliche Kommunikationsgeräte erforderlich. Über das LAN-Kabel werden sämtliche Anlagendaten per TCP/IP-Protokoll ins Netzwerk übertragen. Die entsprechende Software erkennt das Gerät automatisch und ermöglicht dem Nutzer die Einrichtung und Steuerung per PC oder mit einem mobilen Endgerät (Smartphone, Tablet etc.).  
In Bezug auf die Zukunftsfähigkeit kooperiert SMA mit Vaillant und Stiebel-Eltron sowie mit Haushaltsgeräteherstellern, wie z.B. Miele. Mit der Software-Version 1.07 des „Sunny Home Managers“ kann eine Wärmepumpe von Stiebel-Eltron Typ „WWK 300“ und von Tecalor Typ „TTA 300“ per Funksteckdose in das gebäudeeigene Energiemanagement mit Smart Home eingebunden werden. Mit der Smart Home-Technologie von SMA wird die Solarstromerzeugung und der Verbrauch kontinuierlich so aufeinander abgestimmt, dass ein möglichst hoher Eigenverbrauchsanteil erreicht wird. Der „Sunny Home Manager“ bildet mit dem Solarstrom-Wechselrichter die Basis der Eigenbedarfssteuerung. Es lässt sich der bestmögliche Zeitpunkt zum Aktivieren der unterschiedlichen  Verbraucher erkennen und programmieren und somit der optimale Stromeinsatz für das gesamte Gebäude durchführen.
In der intelligenten Systemvariante erfolgt aufgrund der optionalen EMI-Softwareerweiterung des „ISG“ über das gebäudeinterne Netzwerk eine Datenkopplung mit dem „Sunny Home Manager“. Hiermit lassen sich wichtige Verbraucher, Smart Meter und Wettervorhersagen in das System einbinden und die Energieerträge zum Eigenverbrauch dokumentieren.
Vaillant Deutschland aus Remscheid entwickelt in Kooperation mit der SMA Solar Technology AG ein Energiemanagementsystem, das den Anteil von selbst erzeugten Strom am Gesamtstromverbrauch eines Gebäudes maximiert. Hierzu wird das Energiemanagementsystem die Energieproduktion der PV-Anlagen und die Wärmeproduktion von Vaillant Wärmepumpen in Immobilien verbinden und optimal aufeinander abstimmen. Durch den Einsatz des neuen Energiemanagementsystems können Immobilieneigner auch bei sinkenden Einspeisevergütungen effektiv von den gebäudeeigenen PV-Anlagen profitieren und somit die Amortisationszeit der Anlage spürbar reduzieren.

Resümee
Das Ergebnis der Energieeffizienz hängt von den gebäude- und anlagentechnischen Örtlichkeiten, den aktuellen betrieblichen Anforderungen sowie von der optimalen Gebäudeautomation ab. Ohne Gebäudeautomation lassen sich keine optimalen
Energiesparmaßnahmen realisieren.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten TechnischeGebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@online.de