Studie: Zirkulation vs. Temperaturhalteband

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• In einer wissenschaftlichen Untersuchung wurden für ein 12-Familien-Wohngebäude zentrale Trinkwarmwassersysteme mit Brennwertheizkessel bzw. Wärmepumpe mit Zirkulation und mit einem selbstregelnden Temperaturhalteband energetisch verglichen.
• Die Kompensation der Wärmeverluste in der Trinkwarmwasserleitung mit dem selbstregelnden Temperaturhalteband ist für typische Konstellationen bei beiden Wärmeerzeugern im Vergleich zu einem Zirkulationssystem primärenergetisch günstiger oder gleichwertig.

Der Gebäudesektor rückt als größter Endenergieabnehmer zwangsläufig immer stärker in den Mittelpunkt von Strategien zur Senkung des Energiebedarfs. Mit einem Anteil von ca. 12 % am Endenergieverbrauch deutscher Haushalte bieten Trinkwarmwasseranlagen ein erhebliches Minderungspotenzial – zumal energetisch ungünstige Lösungen deutlich über dem Durchschnittswert liegen.

Den Energieverbrauch einer Trinkwarm­wasseranlage zu senken ist allerdings keine ­triviale Aufgabe, weil dabei auch eine lange ­Liste von Hygieneanforderungen für gesundheitlich unbedenkliches Trinkwasser erfüllt werden muss. Wichtige Voraussetzungen sind eine (primär)energieeffiziente Wärmeerzeugung sowie eine gute Dämmung der Rohr­leitungen, Armaturen und Apparate. Beide Maßnahmen sind zwar notwendig, aber nicht hinreichend: Es muss das Gesamtsystem mit ­allen relevanten Wechselwirkungen betrachtet werden.

Zirkulation und Temperaturhalteband

Weitverbreitet sind Zirkulationssysteme (Zwei-Rohr-Anlagen), um die Wärmeverluste in der Trinkwarmwasserverteilung zu kompensieren. Richtig ausgelegt und einreguliert gewährleisten sie geringe Ausstoßverluste und hygienesichere Temperaturen. Durch die teilweise doppelte Rohrleitungsführung und den kontinuierlichen Nachheizbedarf treten im Gesamtsystem aber zusätzliche Verluste auf. Bei der TU-Dresden-Studie wurde die Zirkulation darum in einer Vergleichsvariante nachts für 8 h abgeschaltet – was bei hygienisch einwandfreien Anlagen gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 551 möglich ist, um den Energieaufwand zu verringern.

Eine bewährte Alternative zum Zirkulationssystem ist das selbstregelnde Temperaturhalteband. Es wird direkt an der Warmwasserleitung innerhalb der Wärmedämmung installiert, um Wärmeverluste zu kompensieren und dafür zu sorgen, dass das Wasser nicht unter die vom DVGW-Arbeitsblatt W 551 vorgegebene Temperatur von 55 °C absinkt. Durch die Selbstregelung passt sich die Wärmeleistung örtlich an die Leitungstemperatur an. So wird Wärme nur dann und dort abgegeben, wo sie tatsächlich benötigt wird. Das in der TU-Dresden-Studie betrachtete System ist eine Ein-Rohr-Anlage, die mit einem Raychem HWAT-Temperaturhalte­band Abb. 2 ausgestattet wurde. Um sicherzustellen, dass das System ausschließlich zur Temperaturhaltung benutzt wird, wird die Haltetemperatur durch einen Controller geregelt, und nachts auf eine wirtschaftlichere Temperatur von 50 °C abgesenkt. Zusätzlich wird das Temperaturhalteband während hoher Verbrauchszeiten, in denen warmes Wasser regelmäßig durch die Leitung fließt, zeitweise abgeschaltet.

Das Gesamtsystem unter der Lupe

Welches dieser beiden Systeme ist nun energieeffizienter? Die Antwort auf diese Frage ist weitaus komplexer als vorangehende Studien angenommen haben. Sie erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, um eine genaue Bewertung des Primärenergieaufwands zu erhalten. Die Studie der TU Dresden hat darum das gesamte Trinkwarmwassersystem einbezogen und die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Bereichen – Wärmeerzeuger, Trinkwarmwasserverteilung und Nutzerverhalten – analysiert. Jeder der drei Bereiche beeinflusst die anderen und kann den Wirkungsgrad des Gesamtsystems steigern oder verringern.

Die Ergebnisse der Untersuchung basieren auf umfassenden Daten, die in einer dynamischen Gebäude- und Anlagen-Computersimulation eines typischen Mehrfamilienhauses wissenschaftlich ermittelt wurden. Hierfür wurde ein Gebäudemodell mit zwölf identischen Wohneinheiten, die jeweils aus sechs beheizten Räumen und einer Wohnfläche von 94,7 m² bestehen, gewählt Abb. 3.

Die Art der Wärmeerzeuger ist einer der wichtigsten Faktoren, der gleichermaßen bei der Bewertung der Energieeffizienz eines Zirkulationssystems und einer Ein-Rohr-Anlage mit selbstregelndem Temperaturhalteband berücksichtigt werden muss. Aus diesem Grund wurden beide Systeme bei Einsatz eines Brennwertheizkessels und unter Verwendung einer Wärmepumpe analysiert Abb. 4 Abb. 5.

Das Nutzerverhalten spielt ebenso eine wichtige Rolle. Dazu wurden in der Studie Zapfzeiten und entnommene Wassermengen berücksichtigt. Das verwendete Profil basiert auf dem durchschnittlichen Trinkwarmwasserbedarf eines Haushalts von 100 l/d¹⁾.

Energiebilanz mit Brennwertheizkessel

Brennwertheizkessel haben den mit Abstand größten Anteil bei der Installation von Wärmeerzeugern in neuen Gebäuden und bei der Heizungsmodernisierung (Webcode 348598). Ihr Potenzial zur Energieeinsparung kann jedoch nur in dem Maße genutzt werden, wenn die Wärmeabnehmer möglichst niedrige Rücklauftemperaturen haben. Für eine umfassende Analyse wurden darum in der Studie zwei Brennwertheizkessel betrachtet, einer mit Speichersystem und einer mit Speicherlade­system. Die beiden abgebildeten Systeme basieren jeweils auf einer Vielzahl von verfüg­baren Modellen, mit einem maximalen Fehlerwert von 2 %.

Die umfangreichen Ergebnisse der Studie zeigen, dass bei der Kombination Brennwertheizkessel und Speichersystem der Gesamtprimärenergieaufwand des Zirkulationssystems um 4,9 % höher als bei einer Anlage mit Temperaturhalteband ist Abb. 6. Der Gesamtprimärenergieaufwand der Zwei-Rohr-Anlage sinkt, wenn die Zirkulation nachts abgeschaltet wird, sodass die Energiebilanz dann mehr oder weniger der des Temperaturhaltebands entspricht.

Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Auskühlung in der Zwei-Rohr-Anlage bei einer Nachtabschaltung beträchtlich ist. Auch wenn die Abschaltung wie oben beschrieben zulässig ist, erhöht sie dennoch die Gefahr, dass sich Bakterien (z.B. Legionellen) im System vermehren. Die Abschaltung des Zirkulationssystems wirkt sich zudem nachteilig auf den Nutzungskomfort und den Wasserverbrauch aus, da sich die Ausstoßzeit verlängert, bis das auslaufende Trinkwarmwasser die erforderliche Temperatur erreicht. Somit stellt das Ein-Rohr-System mit HWAT-Temperaturhalteband die attraktivere Lösung dar.

Die potenzielle Primärenergieeinsparung, die mit einem elektrischen Temperaturhalteband erreicht werden kann, wird noch größer, wenn der Brennwertheizkessel mit einem Speicherladesystem kombiniert wird. Aus Abb. 6 und Abb. 7 ist ersichtlich, dass dann ein System mit selbstregelndem Temperaturhalteband bis zu 7 % weniger Primärenergie benötigt und die energetisch bessere Lösung ist.

Energiebilanz mit Wärmepumpe

Seit einigen Jahren werden zunehmend Wärmepumpen auch zur Trinkwassererwärmung eingesetzt. Um die auf der Trinkwarmwasserseite erforderliche Temperatur von 55 bis 60 °C zu erreichen, muss in vielen Betriebssituationen ein gegenüber der Wärmebereitstellung für ein Niedertemperaturheizsystem schlechterer COP in Kauf genommen werden. Der Wahl des Trinkwarmwasserverteilsystems kommt damit bei einer Wärmepumpe als Wärmeerzeuger eine besonders große Bedeutung zu.

Für die Studie wurde zunächst ein leistungsstarkes Wärmepumpensystem (66 kW) mit einem relativ kleinen Speicher (500 l) gewählt, damit eine konstante Versorgungstemperatur gewährleistet ist. Zur Bewertung der Ergebnisse wurde die Jahresarbeitszahl des gesamten Trinkwasser-Wärmepumpensystems herangezogen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe erheblich unter den gewohnten COP-Werten von 3,0 bis 5,0 liegt Abb. 8. Das ist im Wesentlichen auf das dynamische Systemverhalten zurückzuführen. Der mittlere COP-Wert verringert sich besonders durch kurze Schaltphasen. Bei einer Anordnung des Zirkulationsrücklaufs in der oberen Hälfte des Speichers und einer Rücklauftemperatur von mindestens 55 °C wird die Schichtung im Trinkwarmwasserspeicher gestört. Die entstehende größere Mischzone führt dazu, dass die Wärmepumpe häufiger eingeschaltet wird und auf höchstem Temperaturniveau arbeiten und auch teilweise direktelektrisch nachheizen muss. Insgesamt führt das zu einem sehr niedrigen COP-Wert (und zu einem deutlich höheren Primärenergieaufwand gegenüber dem Brennwertheizkessel).

Abb. 8 zeigt auch, dass die Systemkonfigura­tion und die Steuerung erheblichen Einfluss haben. Mit einer 44-kW-Wärmepumpe und einem 750-l-Trinkwassererwärmer und/oder einer größeren Schalthysterese lässt sich der COP deutlich verbessern und auch der Primärenergieaufwand bis auf das Niveau der Brennwertheizkessel-Varianten senken Abb. 9. Die Ergebnisvarianz der beiden Systemauslegungen veranschaulicht zudem, dass sich eine Abweichung von angesetzter und tatsächlicher Nutzung bei dem Zirkulationssystem viel deutlicher als bei dem System mit Temperaturhalteband auswirkt.

Insgesamt zeigt Abb. 9, dass eine Kombina­tion von Wärmepumpe und Ein-Rohr-Anlage mit HWAT-Temperaturhalteband aufgrund der niedrigen Rücklauftemperaturen zur Wärmepumpe, ihrer geringeren Schalthäufigkeit und ihrer längeren Betriebszyklen einen wesentlich geringeren Primärenergieaufwand als eine Wärmepumpe mit Zirkulationssystem erfordert. Der Primärenergie-Mehraufwand für das Zirkulations­system beträgt bis zu 40 %. Obwohl der Primärenergie-Mehraufwand bei einer Nachtabschaltung der Zirkulationspumpe auf 27 % gesenkt werden kann, bleibt das Temperaturhalteband die offensichtlich bessere Lösung, dass es nicht nur beträchtliche Einsparungen ermöglicht, sondern sich aufgrund der geringeren Schalthäufigkeit auch positiv auf die Lebensdauer der Wärmepumpe auswirkt.

Fazit

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass das Ein-Rohr-System mit einem Raychem HWAT-Temperaturhalteband eine gute und sichere Lösung ist, um die Energieeffizienz von Trinkwarmwassersystemen zu verbessern. Das intelligente Design des Temperaturhaltebands gewährleistet, dass nur so viel Energie aufgenommen wird, wie nötig ist, um die Rohrleitung auf der gewünschten Temperatur zu halten. Das Potenzial der Energieeinsparung wird besonders deutlich, wenn das System mit einem Controller eingesetzt wird, der die Temperatur im Warmwasserspeicherausgang überwacht und gewährleistet, dass die Anlage nur zur Temperaturhaltung benutzt wird.

Zusätzliche Einsparungen sind durch vorprogrammierte Abschaltzeiten bei hohem Bedarf und durch Nachtabsenkung der Wassertemperatur in Zeiten mit geringer Zapfwahrscheinlichkeit zu erreichen. Die Studie zeigt, dass ein selbstregelndes Temperaturhalteband unter den gezeigten praxisnahen Randbedingungen beträchtliche Energie- und Kosteneinsparungen ermöglicht.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von weiteren Vorteilen, die in der Planung, Installation, Legionellenprävention und in einer schnellen Warmwasserverfügbarkeit für höchsten Nutzerkomfort liegen. Zudem bietet die Installation eines selbstregelnden Temperaturhaltebands dem Betreiber die Möglichkeit, künftig ohne Effizienzbeschränkungen zwischen den beiden untersuchten Wärmeerzeugern zu wechseln bzw. ein Hybridsystem zu nutzen. •

1) http://www.ecbcs.org/docs/Annex_42_Domestic_Energy_Profiles.pdf

Literatur

[1] Knorr, M.; Seifert, J.: Energetische Gesamtanalyse von Trinkwarmwassererzeugungs- und Verteilsystemen. Dresden: TU Dresden, Forschungsbericht, 2012

Die Studie der TU Dresden zum energetischen Verhalten von Trinkwassererwärmungs- und Trinkwarmwasserverteilsystemen kann bei Tyco Thermal Controls kostenlos angefordert werden: salesde@tycothermal.com

ist Produkt und Marketing Manager bei Tyco Thermal Controls, http://www.tycothermal.de