Trinkwassererwärmer: Größe ist nicht alles!

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• Künftig soll DIN EN 12 831-3 die veraltete DIN 4708 als Auslegungsgrundlage zentraler Trinkwassererwärmer ersetzen.
• Die Weiterentwicklung zeigt in die richtige Richtung, weil sie auch für Nichtwohngebäude offensteht. Allerdings können aufgrund der Ver-einfachungen von DIN EN 12 831-3 Fehldimensionierungen nicht ausgeschlossen werden.
• Die Software Thermasim geht entscheidende Schritte weiter und macht da weiter, wo die neue Norm aufhört: Sie simuliert Speicher und Wärmeübertrager. Die Planung wird dadurch genauer und berücksichtigt zusätzlich die wichtigen Aspekte Trinkwasserhygiene, Energieeffizienz und Takt-verhalten des Wärmeerzeugers.

Wer eine zentrale Trinkwassererwärmung nach dem aktuellen Regelwerk plant, ist vor bösen Überraschungen nicht gefeit. Das erste Beispiel ist eine Wohnanlage mit zwei Blöcken und insgesamt 200 Wohnungen. Hier wurden vor einigen Jahren die Heizzentrale und eine Unterstation erneuert. Dies umfasste einen Gas-Brennwertheizkessel und zwei Speicherladesysteme mit je 750 l. Die Planung erfolgte gemeinsam mit dem Kesselhersteller nach DIN 4708. Kurz vor Ablauf der Gewährleistung kam es zu einem Totalschaden des Heizkessels durch Korrosion auf der Abgasseite. Der Schaden betrug etwa 25 000 Euro.

Was war die Ursache? Die im Nachhinein gemessenen Wärmeverluste der Warmwasser- und Zirkulationsleitungen betragen je Block ca. 17 kW, sodass die Ladespeicher innerhalb von rund 15 min von 60 °C Solltemperatur auf 55 °C abkühlen. Aus hygienischen Gründen musste dann die Nachladung beginnen. Tatsächlich wurden bei dem Heizkessel knapp 32 000 Brennerstarts pro Jahr gemessen, was laut Hersteller infolge der häufigen thermischen Spannungen zum Schaden geführt hat.

Mittlerweile hat der Hersteller seine Gewährleistungsbedingungen für Stahlkessel um die Forderung nach maximal 15 000 Brennerstarts pro Jahr ergänzt. Ungeklärt bleibt dabei allerdings, wie das Takten vorab berechnet werden kann, damit Planer und Anlagenbauer diese Anforderung einhalten können.

Das zweite Beispiel offenbart die erschreckend hohen Wärmeverluste eines Rohrnetzes für Warmwasser und Zirkulation. Ein Zweifamilienhaus wurde kernsaniert, wobei auch die Rohrleitungen erneuert wurden. Am Trinkwassererwärmer wurden Wasserzähler und ein Wärmemengenzähler installiert, sodass der berechnete Energiebedarf und der tatsächliche Energieverbrauch verglichen werden können: Trotz sehr guter Dämmung betragen die Wärmeverluste rund 10 000 kWh/a Jahr, was einem Anteil von 62 % am Energieaufwand für Warmwasser entspricht. Die jährlichen Mehrkosten für Gas betragen etwa 800 Euro. Fast jede andere Lösung wäre energetisch, ökologisch und preislich günstiger, sogar Elektro-Durchlauferhitzer.

Das dritte Beispiel zeigt, wie bedenklich ein übertriebenes Worst-Case-Szenario bei der Planung sein kann. Für eine Schulsporthalle mit einem alten 2000-l-Speicher und zehn Duschen wurde der Warmwasserverbrauch (60 °C) über einen Monat gemessen. Der Tagesverbrauch lag im Mittel bei nur 50 l (maximal 110 l), weil die Halle neben Schulsport fast nur von Kindersportvereinen benutzt wird. Der Wasseraustausch im alten Speicher dauert also 40 Tage und liegt damit 13-fach über dem zulässigen Grenzwert der VDI 6023 zur Trinkwasserhygiene für einen bestimmungsgemäßen Betrieb. In dieser langen Zeit können sich Mikroorganismen (z. B. Legionellen) stark vermehren und Metalle aus Speicher- und Rohrwandung im Trinkwasser anreichern.

Alle drei Beispiele zeigen, dass sich vor allem das Problembewusstsein ändern muss: Die richtige Planung eines Trinkwassererwärmers ist viel mehr als nur eine Größenbestimmung. Sie muss wichtige Kriterien berücksichtigen, beispielsweise das Taktverhalten des Wärmeerzeugers und die Trinkwasserhygiene.

DIN 4708 (alt) – NL-Zahl vs. Realität

Hauptwerkzeug in der bisherigen Planungspraxis ist die DIN 4708 für Wohngebäude. Die Norm erschien erstmals im Jahr 1979. Die Vorarbeiten reichen wohl bis in die 1960er-Jahre zurück. Der Warmwasserverbrauch im sogenannten Bedarfszeitraum wird als Gaußsche Glockenkurve angenommen. Kurvenform und Dauer des Bedarfszeitraums (3,5 bis 7 h) ändern sich in Abhängigkeit der Anzahl an Einheitswohnungen N (3,5 Pers., 1 Badewanne). Aus tatsächlich vorhandenen Wohnungen, Räumen, Belegung und Ausstattung der Sanitärräume wird das Äquivalent an Einheitswohnungen (NL-Zahl) ermittelt.

Im Labor wird kontrolliert, welche NL-Zahl ein Trinkwassererwärmer einhält. Das NL-Zapfprofil besteht aus fünf Zapfungen und wird abgeleitet aus der jeweiligen Gaußkurve. Nur was im Labor bestanden wurde, darf auch auf den Produktunterlagen stehen.

Die Berechnungsmethodik nach DIN 4708 neigt zu erheblichen Überdimensionierungen, weil sich die Warmwasserverbräuche je Wohnung seit den 1970er-Jahren stark vermindert haben und die realen Zapfungen sich über den ganzen Tag verteilen und nicht nur im Bedarfszeitraum auftreten. Die genaue Berechnung für ein Mehrfamilienhaus mit 48 Wohnungen ergab beispielweise einen Warmwasserspeicher mit 500 l Inhalt statt 1000 l nach DIN 4708.

Zudem ist das Anwendungsgebiet von DIN 4708 sehr eingeschränkt: Grundsätzlich gilt sie nicht für Nichtwohngebäude. Es fehlen Prüfvorschriften für Frischwasserstationen mit Heizungspufferspeichern und für Trinkwassererwärmer, die von Wärmepumpen auf niedrigem Temperaturniveau beheizt werden. Auch das lange Aufheizen von Holz-Heizkesseln bei einem Kaltstart (Reaktionszeit) wird nicht berücksichtigt. Bei Nichtwohngebäuden und größeren Wohngebäuden lassen sich daher viele Planer und Installateure die Trinkwassererwärmer vom Handel und von Herstellern auslegen. Gravierender Nachteil: Das Planungs-Know-how bei den in erster Linie Verantwortlichen leidet darunter – und ebenfalls das Bewusstsein für mögliche Risiken und Probleme aufgrund der Gesamtsituation.

DIN EN 12 831-3: Grundprinzip und Kritik

Der bisher als Entwurf aus Dezember 2014 vorliegende Teil 3 zu DIN EN 12 831¹⁾ soll künftig die „altersschwache“ DIN 4708 ersetzen und bringt sinnvolle Neuerungen: Das Rechenverfahren basiert auf 1-Tages-Zapfprofilen für verschiedene Wohn- und auch Nichtwohngebäude, sodass der Anwendungsbereich deutlich größer ist. Außerdem werden die Wärmeverluste des Rohrnetzes und die Reaktionszeit des vorgelagerten Heizsystems (z. B. für das Aufheizen von Holz-Heizkesseln) berücksichtigt.

Das Prinzip lässt sich am Beispiel einer Talsperre Abb. 2 erklären: Als grafisches Verfahren basiert es auf der statistischen Auswertung von Zustrom und Entnahme über einen Zeitraum. Der Zustrom ist im Frühjahr besonders groß, während die Entnahme im Sommer am stärksten ist. Zu- und Abflüsse werden jeweils aufsummiert und als Summenlinien übereinander für den betrachteten Zeitraum dargestellt. Der Anfangsinhalt des Speichers als Fußpunkt der Zufluss-Summenlinie wird geschätzt. Die Differenzen beider Summenlinien geben den zeitlichen Verlauf des Füllstands an. Wenn sich beide Linien treffen, ist die Talsperre trocken gefallen und der Bedarf kann nicht mehr gedeckt werden. Die Talsperre wäre zu klein oder der Verbrauch insgesamt höher als der Zustrom. Der höchste zeichnerische Füllstand ergibt die Mindestgröße der Talsperre (ohne Überlauf).

Für DIN EN 12 831-3 wurde das Summenlinienverfahren modifiziert und auf eine Energiebetrachtung [kWh] umgestellt. Für eine vorgegebene Kombination aus Speicherinhalt und Dauerleistung wird die Eignung im Kapazitätenschaubild Abb. 3 überprüft. Aus dem Zapfprofil wird die Bedarfskurve (braun) ermittelt, Wärmezufuhr und Anfangsladestand ergeben die Angebotskurve (blau) des Speichers. Die Differenz der beiden Kurven stellt den aktuellen Energieinhalt bzw. Ladestand dar. Die Umrechnung von Volumen V zu Energie Q erfolgt rechnerisch über eine einfache Gleichung:

Dichte von Wasser spezifische Wärmekapazität von Wasser

Für die Bedarfskurve gehen das summierte Zapfvolumen sowie die Temperaturen von Kalt- und Warmwasser ein. Bei der Angebotskurve sind dagegen das Speichervolumen und die mittlere Speichertemperatur zu verwenden.

Die (rote) Einschaltkurve bestimmt den Beginn der Nachladung. Wenn die Angebotskurve die Einschaltkurve unterschreitet, wird die Ladung ausgelöst. Die Einschaltkurve ist eine Parallelverschiebung der Bedarfskurve und ergibt sich nur aus der Höhe des Einschaltfühlers im Speicher. Die tatsächlichen Einstellungen an der Regelung (Ein-/Ausschalttemperaturen) werden nicht berücksichtigt. Liegt der Fühler beispielsweise auf 40 % der Höhe, wird die Ladung ausgelöst, wenn 40 % der Energie verbraucht ist. Die Ladung endet, wenn der Speicher wieder zu 100 % geladen ist, was als (graue) Obergrenze eingezeichnet ist.

Das Kapazitätenschaubild kann man mit dem Flug eines Heißluftballons (Angebotskurve) über einen Berg (Bedarfskurve) veranschaulichen. Kühlt der Ballon ab, sinkt er. Wird die Mindestflughöhe (Einschaltkurve) unterschritten, wird nach Ablauf der Reaktionszeit nachgeheizt und der Ballon steigt wieder bis zur maximalen Flughöhe (Sollwert Aus) über Boden.

Der Energieinhalt eines Speichers lässt nach der oben genannten Gleichung lediglich Rückschlüsse auf die mittlere Speichertemperatur zu, aber nicht auf die Temperaturverteilung im Speicher. Darum werden das Regelverhalten und die Wärmeübertragerleistung vor allem bei Gebäuden mit Zirkulation teilweise recht ungenau wiedergegeben, wie folgende Beispiele zeigen:

Probleme wurden nicht behoben

Das erste Beispiel zeigt das Regelverhalten eines Warmwasserspeichers mit einem Fühler auf halber Speicherhöhe Abb. 4. In der Realität wird die Nachladung ausgelöst, wenn die Einschalttemperatur am Fühler unterschritten wird. Dies erfolgt beispielsweise aus hygienischen Gründen, wenn der Speicher infolge der Zirkulation von 60 °C auf 55 °C abgekühlt ist, selbst wenn es zwischenzeitlich keine Zapfung gab. In diesem Fall ist noch über 90 % der Energie im Speicher vorrätig. Nach DIN EN 12 831-3 springt die Ladung aber erst an, wenn der Energieinhalt unter 50 % sinkt, weil nur die Höhenlage des Fühlers berücksichtigt wird. Abb. 4 vergleicht die Energieinhalte kurz vor einer Phase starker Zapfungen. Nach dem DIN-Verfahren (lila) wäre die Hälfte der Energie verbraucht. In Wirklichkeit (blau) ist der Speicher wegen der früheren Nachladung vollständig (oder nahezu vollständig) aufgeladen, sodass ein kleinerer Speicher mit weniger Leistung ausreicht, um die bevorstehende Zapfphase (braun) zu bedienen. Die Folgen: Auch DIN EN 12 831-3 neigt zu starker Überdimensionierung der Speicherinhalte bei gleichzeitiger Unterschätzung der Anzahl der Brennerstarts.

Das zweite Beispiel betrifft Speicherladesysteme, deren Leistung im Ladebetrieb nach Norm als konstant angenommen wird. Tatsächlich wird das Wasser unten aus dem Ladespeicher mit nahezu konstantem Volumenstrom entnommen, im externen Wärmetauscher auf Solltemperatur erwärmt und oben dem Speicher wieder zugeführt. Wird dem Speicherladesystem aufgrund vorheriger Zapfungen aus dem Speicher Kaltwasser zugeführt, beträgt die Erwärmung 50 K (100 % Leistung). Erfolgt die Speicherladung aufgrund der Abkühlung durch eine Zirkulation, ist nur ein Temperaturhub von 5 K zu erbringen und die Leistung sinkt auf 10 %. DIN EN 12 831-3 rechnet hingegen immer mit konstant hoher Leistung, sodass der Speicher rechnerisch schneller aufgeladen wird und über mehr Energie als in Wirklichkeit verfügt. Das Beispiel zeigt, dass die Norm auch zu einer Unterdimensionierung führen kann.

Die Anwendung der künftigen DIN EN 12 831-3 als Ersatz für die veraltete DIN 4708 ist zwar prinzipiell zu begrüßen, weil sie Nichtwohngebäude, Wärmeverluste und Reaktionszeiten berücksichtigt. Trotzdem ist die Berechnung noch recht ungenau. Die neue Norm schließt die Anwendung genauerer Berechnungsverfahren nicht aus – die Negativbeispiele und die aufgezeigten Beschränkungen machen daraus eine dringende Empfehlung.

Simulation Thermasim als Lösung

Ein genaueres Berechnungsverfahren ist eine Simulation der tatsächlichen Gegebenheiten, die in der Software Thermasim realisiert wurde. Ziel dieser Software ist ein hoher Schutz vor Fehlplanungen und Schäden durch eine genauere Berechnung und die Berücksichtigung zusätzlicher Entscheidungskriterien. Trotzdem führt Thermasim in wenigen Schritten zu nachvollziehbaren Ergebnissen – vielfach sind es kleinere und kostengünstigere Trinkwassererwärmer.

Thermasim ist als Weiterentwicklung von DIN EN 12 831-3 mit neuem Motor zu verstehen: Die wesentlichen dynamischen Prozesse in Speichern und Wärmeübertragern werden simuliert, was die realitätsnahe Abbildung der Temperaturschichtung im Speicher, des Regelverhaltens und der Wärmeübertragerleistung ermöglicht. Außerdem werden Langzeitmessungen von Zapfprofilen in hoher Auflösung verwendet, um die Vielfalt wirklichen Nutzerverhaltens besser zu erfassen und die Ergebnisse auf eine breitere statistische Basis zu stellen.

Das Planungswerkzeug Thermasim ist die wohl erste herstellerunabhängige Software, die bereits zahlreiche gemessene Muster-Zapfprofile verschiedener Gebäudetypen (Wohngebäude, Hotels, Heime usw.) und Gebäudegrößen beinhaltet, die dann auf die jeweilige Größe umgerechnet werden.

Für eine noch höhere Genauigkeit können individuelle Messungen eingelesen werden, was sich bereits bei mittelgroßen Gebäuden schnell rechnet. Zu Vergleichszwecken sind zudem NL-Zapfprofile nach DIN 4708 hinterlegt. Die Software eignet sich für Warmwasserspeicher, Speicherladesysteme und Frischwasserstationen mit Heizungspufferspeicher. Sie ist unabhängig, herstellerneutral und umfasst dennoch eine Vielzahl von Geräten gängiger Hersteller.

Zentrale Bedeutung hat bei Thermasim die Vorauswahl. Hier wird das konkrete Gerät zunächst ausgewählt und anschließend nachgerechnet. Beispielhaft ist sie für einen Warmwasserspeicher in Abb. 6 dargestellt. In der Vorauswahl werden die wichtigsten Entscheidungskriterien übersichtlich grafisch zusammengeführt: Die verfügbaren Speicher sind mit Inhalt und Dauerleistung als farbige Punkte entsprechend ihrer voraussichtlichen Eignung dargestellt. Als Auswahlhilfe dient die blaue Kurve, die eine ungefähre Mindestgröße angibt. Darunter liegende Geräte sind vermutlich zu klein. Speicher in grauen Bereichen sind bezüglich Taktverhalten oder Trinkwasserhygiene (Wasseraustausch) ungünstig.

Thermasim geht gezielt auch auf Aspekte ein, die bisher weder in DIN 4708 noch im Entwurf von DIN EN 12 831-3 betrachtet wurden. Hierzu gehören das Risiko von Kesselschäden aufgrund häufiger Brennerstarts und hygienische Risiken durch ungenügenden Wasseraustausch. Zur Vorbeugung gegen eine falsche Systemwahl wird auch die Energieeffizienz bewertet. Damit wären die drei eingangs beschriebenen Negativbeispiele sicher vermieden worden.

Eine große Erleichterung für Planer ist auch die Berechnung der Reserve für den konkret gewählten Trinkwassererwärmer – also wie stark man die Lastannahmen (z. B. Personenzahl) erhöhen könnte, ohne dass es zu einem Versorgungsengpass käme. Ein Hauptproblem war bisher genau diese Ermittlung der Lastannahmen, weshalb meist ein üppiger Angstzuschlag verwendet und zusätzlich noch das nächst größere Gerät gewählt wurde. Aus diesem Dilemma hilft Therasim. Bei beispielsweise 40 % berechneter Reserve für das konkrete Gerät und Gebäude muss sich der Planer über die korrekte Lastannahme keine Sorgen machen und kommt ohne doppelte und dreifache Sicherheitszuschläge aus. Neben zahlreichen Diagrammen sorgt auch die Animation des Speichers in Abb. 7 für eine gute Nachvollziehbarkeit.

Die Software Thermasim ist webbasiert, die Nutzungsgebühr beträgt bei einer Mindestlaufzeit von zwei Jahren 19,90 Euro/Monat zzgl. MwSt. Anmeldung unter www.thermasim.de

ist Inhaber und Geschäftsführer des auf Heizung, Lüftung, Sanitär und Energieberatung spezialisierten Ingenieurbüros h4plan GmbH, 30455 Hannover, www.h4plan.de