Bewertung dezentraler Frischwasserstationen

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• Die EnEV-Bewertungsnormen enthalten kein explizites Verfahren zur energetischen Bewertung von Wohnungsstationen für die dezentrale Trinkwassererwärmung.
• In einem Gutachten wurde jetzt ein Bewertungsansatz mit „ähnlichen energetischen Eigenschaften“ für DIN V 4701-10 erarbeitet, der auch mit typischer Energieberater-Software verwendet werden kann.
• Vergleichsrechnungen zeigen, dass für Mehrfamilienhäuser bei einer Versorgung über Wohnungsstationen der Primärenergiebedarf im Neubau mit anderen häufig vorkommenden Systemen vergleichbar ist und im anlagentechnisch unsanierten Bestand (wohnungsweise NT-Kombi-Thermen) durch einen Systemwechsel ein großes Energieeinsparpotenzial erschlossen werden kann.

Für die Heizwärme- und Warmwasserversorgung von Mehrfamilienhäusern stehen neben konventionellen Systemen mit zentralem Kessel und Warmwasserspeicher auch Alternativen mit zentraler Wärmeerzeugung und dezentraler Trinkwassererwärmung zur Verfügung. Statt über getrennte Heizungs- und Warmwasserleitungen wird hierbei die Wärme über die Verteilungsleitungen für die Heizung bereitgestellt, Wohnungsstationen übernehmen die Trinkwassererwärmung. Derartige Wohnungsstationen (auch Frischwasserstationen) haben in den letzten Jahren eine wesentliche Verbreitung am Markt gefunden. Dies ist vor allem auf folgende Vorteile zurückzuführen:

• <b>Trinkwasserhygiene:</b> Der große Vorteil von Wohnungsstationen besteht in der hygienischen Bereitstellung von Warmwasser im Durchflussprinzip direkt in der Wohneinheit. Ein Legionellenwachstum im Speicher oder in der Trinkwasser-Installation wird damit weitestgehend vermieden.
• <b>Installation:</b> Gegenüber einer herkömmlichen Installation mit vier Leitungen (Heizungsvor- und -rücklauf, Warmwasserleitung und Zirkulationsleitung) sind nur zwei Verteilleitungen zu den Wohnungen im Gebäude erforderlich. Diese werden möglichst zentral mit der Möglichkeit der Anbindung mehrerer Wohnungen je Etage verlegt.
• <b>Heizkostenabrechnung:</b> Jede Wohnungsstation kann mit einem Wärmemengenzähler ausgerüstet werden, welcher die abgenommene Wärme für die Raumheizung und Trinkwassererwärmung gemeinsam zählt. Ebenso ist für Kaltwasser ein Zähler in der Station integrierbar. Die Ablesung beider Zähler ist so zentral an einer Stelle der Wohnung möglich.

Bezüglich der energetischen Bewertung von dezentralen Frischwasserstationen im Rahmen der EnEV und der darauf aufbauenden Regelungen (EEWärmeG, KfW-Förderung etc.) bestehen gewisse Unsicherheiten, da weder in DIN V 4701-10 [1] noch in DIN V 18 599 [2] derartige Systeme erwähnt werden.

In diesem Kontext wurde das ITG Dresden mit der Erstellung eines Gutachtens [3] beauftragt. Darin erfolgt die Erarbeitung eines allgemeinen Ansatzes zur energetischen Bewertung dezentraler Wohnungsstationen für DIN V 4701-10 beziehungsweise DIN V 18 599. Im Ergebnis der Berechnungen und Überlegungen werden die bei Nutzung typischer Energieberater-Software zur Abbildung von Wohnungsstationen erforderlichen Eingaben beschrieben.

Energetische Bewertung

Erste energetische Berechnungen erfolgen in der Regel bevor eine detaillierte Planung für ein Objekt vorliegt. In diesem Fall müssen Standardwerte vorgegeben und verwendet werden. Liegt bereits eine konkrete Anlagenplanung vor, können für eine möglichst reale Abbildung des Systems die Planungsdaten für die energetische Berechnung übernommen werden.

Wärmeerzeugung und Speicherung

Für Wärmeerzeuger und Pufferspeicher kann bei zentraler Wärmeerzeugung mit Wohnungsstationen davon ausgegangen werden, dass Kesselleistung und Speichervolumen den Standardwerten nach Norm entsprechen. Da der Pufferspeicher ganzjährig und ganztägig für die dezentrale Trinkwassererwärmung beheizt werden muss, wird dieser entsprechend als Warmwasserspeicher auf der Trinkwasserseite betrachtet. Analog dazu werden auch die primärseitigen Vor- und Rücklaufleitungen zu den Stationen der Trinkwarmwasserseite zugeordnet. Es bestehen folgende Möglichkeiten für die zentrale Wärmeerzeugung:

• Öl/Gas-Brennwertkessel, ggf. mit Solarunterstützung
• Feststoff-/Pellet-Heizkessel
• Fern-/Nahwärme-Übergabestation

Systemtemperaturen und Verteilsystem

Die notwendige Vorlauftemperatur zur Wohnungsstation ist von der gewünschten Trinkwarmwassertemperatur und der gewählten Warmwasserleistung des Wärmeübertragers abhängig. Die minimale Vorlauftemperatur muss ca. 15 K über der gewünschten Zapftemperatur liegen, so können Zapftemperaturen von 45 bis 60 °C realisiert werden. Die Trinkwassererwärmung erfolgt im Vorrangbetrieb. In Abhängigkeit von der gewünschten Warmwassertemperatur und der Zapfleistung ergeben sich für die Wohnungsstationen spezifische Rücklauftemperaturen.

Damit die Trinkwassererwärmung durchgängig gewährleistet ist, muss das Heizungswasser rund um die Uhr und ganzjährig zur Station zirkulieren. Um die erforderliche Vorlauftemperatur aufrechtzuerhalten, wird daher in der obersten Wohnungsstation eines Stranges ein Temperaturvorhalte-Regelset installiert, das durch Umlauf des Heizungswassers auch in Stillstandszeiten der Wohnungsheizung eine schnelle Bereitstellung von Trinkwarmwasser gewährleistet.

Durch Einstellung des Thermostatkopfes wird die Umlaufmenge des Heizungswassers im primärseitigen Heizkreis geregelt. Die eingestellte Temperatur liegt unter der Auslegungstemperatur. Seitens des Herstellers wird analog zu den DVGW-Vorgaben eine Warmwassertemperatur von 50 °C empfohlen, die erforderliche primärseitige Vorlauftemperatur beträgt dafür 65 °C. Um einen energieeffizienten Bereitschaftsbetrieb bei gleichzeitig akzeptablem Warmwasserkomfort sicherzustellen, erfolgt die Einstellung des Temperaturvorhalte-Regelsets auf 50 °C. Infolge des niedrigen Volumenstroms über das Regelset stellen sich damit niedrigere Rücklauftemperaturen im Bereitschaftsbetrieb ein.

Sekundärseitig erfolgt die Regelung der Wärmezufuhr für den Heizbetrieb in Abhängigkeit von einer geeigneten Führungsgröße und der Zeit. Die Vorrichtungen dafür können Bestandteil der Wohnungsstationen oder diesen nachgeschaltet sein. Es erfolgt eine Anpassung der sekundärseitigen Heizwassermenge an den Bedarf.

Die primärseitigen Wärmeverteilleitungen sind auch in Bezug auf die EnEV-Anforderungen an die Regelung der Wärmezufuhr und Zu-/Abschaltung elektrischer Antriebe als Trinkwasserverteilleitungen zu betrachten. Für eine energetische Bewertung werden deshalb die primärseitigen Verteil- und Steigleitungen sowie die notwendigen elektrischen Antriebe dem Bereich Trinkwassererwärmung zugeordnet. Auch die Leitungsführung und damit die Leitungslängen entsprechen eher einer Warmwasserleitung mit Zirkulation.

Die mittleren Temperaturen der primärseitigen Verteil- und Steigleitung bei einer dezentralen Trinkwassererwärmung mit Wohnungsstationen unterscheiden sich von denen mit zentraler Trinkwassererwärmung. Sie können je nach gewünschter Warmwassertemperatur unterhalb oder oberhalb der Mitteltemperatur des Zirkulationsnetzes liegen. Da die mittlere Warmwassertemperatur bei der energetischen Berechnung nach Norm nicht angepasst werden kann, werden zum Ausgleich der abweichenden Rohrleitungsverluste die Rohrleitungslängen der Verteil- und Steigleitungen auf der Warmwasserseite über Faktoren angepasst. Die Ermittlung der Umrechnungsfaktoren erfolgt mit Bezug auf die mittlere Temperatur im Zirkulationsnetz von 57,5 °C, was dem aktuellen Stand der Technik zur Vermeidung von Legionellen entspricht. Die Anpassung der Rohrleitungslängen ist in jedem Fall erforderlich, unabhängig davon, ob für die Leitungslängen die Standardwerte nach Norm oder konkrete Planungsdaten verwendet werden.

Wärmeübergabe

Die Wärmeübergabe kann über freie Heizflächen oder Flächenheizungen erfolgen. Bei freien Heizflächen verfügt die Wohnungsstation über eine direkte Anbindung an den sekundärseitigen Heizkreis. Bei Flächenheizungen oder Kombinationen aus freien Heizflächen und Flächenheizungen ist ein gemischter sekundärseitiger Heizkreis mit abgesenkten Systemtemperaturen notwendig. Diese Wohnungsstationen verfügen über eine Beimischung mit zusätzlicher Hocheffizienzpumpe.

Bewertungsansatz für DIN V 4701-10

Die typische Konstellation bei dezentralen Frischwasserstationen besteht aus einem zentralen Wärmeerzeuger mit Wohnungs-stationen für Heizung und Trinkwassererwärmung in einer zwei-Leiter-Installation. Grundlage für die Abbildung dieses Systems in DIN V 4701-10 bildet die Eingabe der Anlagenvariante „zentrale Wärmeerzeugung mit indirekt beheiztem Speicher“ mit Standardwerten. Abb. 1 vermittelt einen Überblick über die Bewertungsabschnitte. Die notwendigen Anpassungen in den einzelnen Bereichen der Heizung und Trinkwassererwärmung werden in Abb. 2 angegeben und erläutert.

Soll zusätzlich Solarthermie in die zentrale Erzeugung eingebunden werden, wird diese standardmäßig als alternativer Wärmeerzeuger im Bereich Heizung und Trinkwassererwärmung mit Anschluss an den vorhandenen Pufferspeicher angelegt. Die solaren Deckungsanteile für Heizung und Trinkwassererwärmung können mit geeigneten Simulationsprogrammen ermittelt werden. Alternativ finden die Standardwerte der Normen Verwendung. Der Deckungsanteil Heizung kann entsprechend Norm mit 10 % angesetzt werden, wenn die Größe der Kollektorfläche mindestens das 1,8-fache der Standardkollektorfläche für Trinkwassererwärmung beträgt.

Vergleichsberechnung Neubau

Für ein ausgewähltes 24-Familienhaus (Neubau) werden die zentralen Varianten Gas-brennwert-Heizkessel mit solarer Trinkwassererwärmung und Gasbrennwert-Heizkessel in Kombination mit Solarthermie und Wohnungsstationen für Heizung und Trinkwassererwärmung betrachtet. Beiden Varianten werden gleich große Kollektorflächen (Größe ent-sprechend den Vorgaben in DIN V 4701-10 für Trinkwassererwärmung) zugrunde gelegt. Die Deckungsanteile, die sich aus den Anlagenkonfigurationen ergeben, werden mit dem Solarsimulationsprogramm Getsolar Professional 10.1 ermittelt. Der bauliche Wärmeschutz des Gebäudes ist gegenüber dem Referenzwärmeschutz nach EnEV 2014 leicht verbessert (Fenster mit U_w = 1,1 W/(m² K)). Beide Varian-ten halten die Vorgaben von EnEV 2014 und EEWärmeG ein.

Beim Einsatz von Wohnungsstationen steht das Warmwasser ohne Zirkulationsunterbrechung ganztägig zur Verfügung (Abb. 3 Variante 1). Die Vergleichsrechnungen für den Neubau erfolgen deshalb für die Anlagen mit zentralem Brennwert-Kessel und solarer Trinkwassererwärmung mit (Abb. 3 Variante 2) und ohne Zirkulationsunterbrechung (Abb. 3 Variante 2a). Die Tabelle zeigt die wesentlichen Ergebnisse der Vergleichsrechnungen für End-, Hilfs- und Primärenergie: Bei zentraler Wärmeversorgung mit Einbindung von Solarthermie und dem Einsatz von Wohnungsstationen können gegenüber einem zentralen System mit solarer Trinkwassererwärmung zwischen 1,5 und 3 % Endenergie Wärme sowie zwischen 0,5 und 2,1 % Primärenergie eingespart werden. Der Hilfsenergiebedarf ist aufgrund des durchgängigen Betriebes etwas höher.

Vergleichsberechnung Bestand

Als Beispiel für ein Bestandsgebäude wird wiederum das 24-Familienhaus betrachtet, allerdings entspricht der bauliche Wärmeschutz etwa der WSchV 82 [5]. Die betrachteten Systeme sind in Abb. 4beschrieben. Bei der Sanierung wird davon ausgegangen, dass die vorhandenen Heizflächen für einen Betrieb mit etwas abgesenkten Systemtemperaturen geeignet sind. Um den gleichen Komfort wie beim Einsatz von Wohnungsstationen zu gewährleisten, erfolgt die Berechnung des zentralen Systems mit indirekt beheiztem Speicher ohne Zirkulationsunterbrechung.

Die Ergebnisse der energetischen Berechnung für End-, Hilfs- und Primärenergie des Ausgangszustandes und der Sanierungsvarianten sind in Abb. 5 angegeben. Gegenüber dem Ausgangszustand mit wohnungsweisen (alten) Niedertemperatur-Kombi-Thermen können deutliche Verringerungen des Endenergie-, Hilfsenergie und des Primärenergiebedarfs verzeichnet werden. Infolge des höheren Hilfsenergiebedarfs für die wohnungsweisen Brennwert-Thermen sind die Varianten mit zentralem Gasbrennwert-Heizkessel primärenergetisch günstiger.

Fazit

Mit Wohnungsstationen können einzelne Wohnungen mit Wärme sowie mit warmem und kaltem Trinkwasser versorgt werden. Die benötigte Heizwärme wird über eine zentrale Wärmeerzeugung bereitgestellt, die Erwärmung des Trinkwassers erfolgt dezentral über einen Wärmeübertrager im Durchlaufprinzip. Daraus ergeben sich hygienische Vorteile bei der Bereitstellung des Warmwassers. Probleme mit möglichem Legionellenwachstum im Speicher oder in der Trinkwasser-Installation werden weitestgehend vermieden. Da nur Verteil- und Steigleitungen für Heizwärme erforderlich sind, ergeben sich zudem Vorteile hinsichtlich des Installationsaufwands.

Für die energetische Bewertung von Wohnungsstationen mit den derzeit gültigen Normen DIN V 4701-10 bzw. DIN V 18599 wurde ein allgemeiner Ansatz erarbeitet und die Eingabe in typische Energieberater-Software beschrieben. Das Gutachten wurde der KfW vorgelegt, der Bewertungsansatz wird in die Liste der technischen FAQ übernommen.

Literatur

[1] DIN V 4701-10 Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung. Berlin: Beuth Verlag, August 2003

[2] DIN V 18 599. Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2011

[3] Mailach, B.; Oschatz, B.: Energetische Bewertung einer Wärme- und Warmwasserversorgung mit Wohnungsstationen im Vergleich mit einem konventionellen zentralen bzw. dezentralen System. Dresden: Auftraggeber: Oventrop GmbH & Co. KG, 22.10.2014

[4] KfW: Anlage zu den Merkblättern Energieeffizient Sanieren – Kredit (151/152), Energieeffizient Sanieren Investitionszuschuss (430), Energieeffizient Bauen (153), https://www.kfw.de/kfw.de.html

[5] Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden – Wärmeschutzverordnung vom 24. Februar 1982

Mit dem energetischen Bewertungsansatz, den das ITG erarbeitet hat, wurden anhand eines Modellgebäudes (24-Familienhaus) Vergleichsrechnungen durchgeführt. Neben einem Neubau unter Einsatz von Solarthermie wurde die Sanierung eines Bestandsgebäudes betrachtet. Die Ergebnisse für das Beispielgebäude können wie folgt zusammengefasst werden:

Neubau: Bei zentraler Wärmeversorgung unter Einbindung von Solarthermie und dem Einsatz von Wohnungsstationen können gegenüber einem zentralen System mit solarer Trinkwassererwärmung zwischen 1,5 und 3 % Endenergie Wärme und zwischen 0,5 und 2,1 % Primärenergie eingespart werden. Der Hilfsenergiebedarf ist aufgrund des durchgängigen Betriebes etwas höher.

Bestandsgebäude: Beim Einsatz von Wohnungsstationen können gegenüber einem zentralen System mit Brennwerttechnik und indirekt beheiztem Speicher etwa 1,8 % Endenergie und 1,3 % Primärenergie eingespart werden. Der Hilfsenergiebedarf ist aufgrund des durchgängigen Betriebes etwas höher. Gegenüber einer Sanierung mit dezentralem System (wohnungsweise Brennwert-Therme und Trinkwassererwärmung im Durchflussprinzip) können 1,9 % Endenergie und 7,8 % Primärenergie eingespart werden.

ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung GmbH. https://www.itg-dresden.de/

studierte und promovierte an der TU Dresden. Seit 2004 arbeitet er als Geschäftsführer am ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung GmbH. Seit 2006 ist er nebenberuflich als Professor für Heizungstechnik / Erneuerbare Energien an der Hochschule Zittau tätig. https://www.itg-dresden.de/