Der positive Trend in der Bauwirtschaft birgt die Hoffnung, dass die seit langem erforderlichen Sanierungen der Trinkwassererwärmungsanlagen in Hotels, Krankenhäusern, Seniorenheimen, Schulen und Mehrfamilienhäusern nun vorgenommen werden. Aber nach der sinnvollen Verkleinerung des Speicherinhalts und der Umstellung auf moderne Speicherladesysteme kommt oft die Ernüchterung: Um die Anforderungen des DVGW-Arbeitsblatts W 551 [1] einzuhalten, ergibt sich bei herkömmlichen Systemen eine ungünstige Dauerbelastung des Wärmeerzeugers. Der Wärmeerzeuger taktet ständig. Nicht selten alle 10 Minuten, 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr. Ein höherer Brennstoffbedarf ist die Folge.
Anforderungen nach DVGW W 551
Das DVGW-Arbeitsblatt W 551 beschreibt technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums bei Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasserinstallationen. Ein Schwerpunkt ist dabei, die Warmwassertemperatur stets oberhalb des für die Legionellenvermehrung kritischen Temperaturbereichs von 25 bis 55 °C zu halten. Dazu wird in Groß- und Kleinanlagen unterschieden, im Wesentlichen über den Inhalt des Trinkwassererwärmers und den Leitungsinhalt zwischen seinem Warmwasseraustritt und der am weitesten entfernten Zapfstelle.
Als Großanlage sind alle Anlagen mit einem Trinkwassererwärmer größer 400 l oder/und einem Leitungsinhalt größer 3 l und Anlagen für bestimmte Nutzungen definiert. Ein- und Zweifamilienhäuser haben per Definition Kleinanlagen, unabhängig vom Inhalt des Trinkwassererwärmers oder der Leitung. Die wesentlichen Anforderungen an den Betrieb von Großanlagen zur Trinkwassererwärmung zur Vermeidung von Legionellenwachstum sind:
• Einhaltung von einer Mindesttemperatur von 60 °C am Austritt des Trinkwassererwärmers über 24 h/d. Die früher enthaltene Toleranz von 5 K für Regelabweichungen ist nicht mehr zulässig.
• Maximale Auskühlung der Zirkulation um 5 K.
• Zirkulationspumpen dürfen maximal 8 h/d abgeschaltet werden.
Diese aus hygienischer Sicht notwendigen Anforderungen führen bei Speichern, die bisher zuverlässig ihren Dienst leisteten, plötzlich zu Problemen. Das können Verkalkungen sein, aber es geht auch um Brennertakten und das Unterschreiten der Austrittstemperatur aufgrund zu großer Zirkulationswassermengen. Denn um die 5 K Spreizung zwischen Speicheraustritt und Zirkulationseintritt einzuhalten, bleibt im Bestand oftmals nur die Option, die Zirkulationswassermenge deutlich zu erhöhen, sobald die Rohrleitungen zur nachträglichen Dämmung nicht erreichbar sind.
Speicher: So klein wie möglich
Trinkwassererwärmungsanlagen sind entsprechend dem Bedarf an erwärmtem Trinkwasser nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik so klein wie möglich und nur so groß wie nötig auszulegen. Die richtige Dimensionierung des Gesamtsystems Trinkwassererwärmer ist die erste Vorraussetzung für die Hygiene. Für Wohngebäude gilt DIN 4708. Viele Praxisbeispiele belegen, dass durch die höheren Temperaturen und durch genauere Berechnungsmethoden der Speicherinhalt bei Sanierungen gegenüber dem vorhandenen Inhalt deutlich verringert werden kann. Reduzierungen von weit mehr als 50 % sind die Regel.
Wird ein Trinkwassererwärmer ausgetauscht, ist also unbedingt der Bedarf neu zu ermitteln und der Trinkwassererwärmer ist neu zu dimensionieren. Konstruktives Misstrauen ist dabei gegenüber einer Dimensionierungssoftware angebracht. Deutliche Abweichungen zwischen EDV-Ergebnissen aus der Dimensionierungssoftware verschiedener Hersteller wurden in einer Diplomarbeit an der FH Köln [4] festgestellt. Es sind unbedingt Gegenrechnungen vorzunehmen sowie die Parameter genauestens zu prüfen, um überdimensionierte Trinkwassererwärmer auszuschließen. Brötje bietet dazu auf https://www.broetje.de/ die neue Software AquaComfort an, die die neuesten Erkenntnisse in Bezug auf eine minimale Dimensionierung der Speicher bereits berücksichtigt.
Aber auch mithilfe moderner Trinkwassererwärmer kann der Speicherinhalt im Objektbereich gegenüber typischen Anlagen im Bestand häufig drastisch reduziert werden. In Kombination mit Brennwerttechnik bieten sich dazu Speicherladesysteme an, die aufgrund der hohen Dauerleistung des Plattenwärmeübertragers und des hohen Entladewirkungsgrads (keine Toträume unterhalb der Heizschlange) mit einem deutlich kleineren Speicherinhalt auskommen.
Hinzu kommt der enorme Vorteil, dass durch das Speicherladesystem der Rücklauf zum Heizkessel extrem ausgekühlt wird, was zu einer besseren Brennstoffausnutzung führt. Um das aber auch im Betrieb zu realisieren, müssen die Ladevolumenströme so einreguliert sein, dass mit der verfügbaren Heizleistung auch der erforderliche Temperaturhub zwischen Kaltwassereintritt und Warmwassersollwert sowohl bei der Zapfung als auch bei der Deckung des Zirkulationswärmebedarfs erreicht wird. Dies erfolgt bei herkömmlichen Speicherladesystemen mittels Strangregulierventil auf der Trinkwasserseite. Dabei wird die Spitzenzapfung für die Dimensionierung zugrunde gelegt. Welche Konsequenzen hat das aber für die übrigen Betriebszustände, beispielsweise die Deckung des Zirkulationswärmebedarfs und die Nachheizung bei kleineren Zapfungen?
Speicherladesystem im Detail
Nur scheinbar sind es lediglich zwei Parameter, die beim Speicherladesystem zu berücksichtigen sind: Speicherinhalt und Wärmeübertragerleistung. Die relativ unabhängige Auswahl der beiden Parameter ist bereits ein wesentlicher Vorteil des Speicherladesystems. Dennoch sind auch hier die Rahmenbedingungen genau zu prüfen und bei der Dimensionierung zu berücksichtigen. Die Betrachtung der möglichen Extreme für die gewählte Leistungskennzahl NL= 201)verdeutlicht die Problematik:
1. Großer Speicherinhalt mit geringer Dauerleistung des Wärmeübertragers (1500 l, 10 kW): Es wird ein zu großer Inhalt bevorratet, der wahrscheinlich mehrere Tage pro Jahr nicht erneuert wird. Andererseits ist die Leistung des Wärmeübertragers zu klein, um den Zirkulationswärmebedarf zu decken. Ein Aufheizen des Speichers würde zu lange dauern und im Vorrangbetrieb zu Problemen führen.
2. Kleiner Speicherinhalt mit hoher Dauerleistung des Wärmeübertragers (100 l, 200 kW): Der kleine Speicherinhalt kann bei Spitzenzapfung zu Problemen bei der Warmwasserversorgung führen. Die hohe Leistung provoziert, sofern für die Gebäudeheizung überhaupt vorhanden, ein unwirtschaftliches Betriebsverhalten. Für jede kleine Zapfung wird ein Nachheizen durch den großen Wärmeerzeuger erforderlich. Der Massenstrom aus dem 200-kW-Wärmeübertrager auf der Trinkwasserseite passt nicht zum Volumen des Speichers. Eine saubere Schichtung ist somit unrealistisch und der Vorteil der Rücklaufauskühlung ginge verloren.
Die beiden Auslegungen gelten aber nur für die Deckung der Spitzenleistung. Da die Normen mit reichlich Reserven bedacht sind, könnte man glauben, dass alle anderen Betriebsfälle ebenfalls abgedeckt werden. Dies ist allerdings häufig nicht der Fall! Speicherinhalt und Heizflächenleistung müssen zwangsweise unter Berücksichtigung weiterer Anlagendaten aufeinander abgestimmt werden. Als Faustformel gilt: Die Leistung des Wärmeübertragers bei einem Speicherladesystem sollte den gesamten Speicherinhalt in ca. 30 min von 10 auf 60 °C aufheizen.
Bei einem 500-l-Speicher ergibt sich mit der Faustformel eine Leistung von 58 kW (der ideale Trinkwassererwärmer für NL= 20 hätte eine Heizflächenleistung von 40 kW). Es müssen aber auch die Nachheizung bei kleineren Zapfmengen und die Deckung des Zirkulationswärmebedarfs berücksichtigt werden. Beide können zusammengefasst werden, denn die Zirkulation stellt eindeutig die größere Herausforderung dar.
Für den 500-l-Speicher mit 40 kW ergibt sich ein Volumenstrom der trinkwasserseitigen Ladepumpe von 0,69 m3/h. Wird der Volumenstrom auf der Trinkwasserseite konstant betrieben, ergibt sich bei der Erwärmung des Zirkulationswassers von 55 auf 60 °C eine maximale Übertragungsleistung von Qz= 4 kW. Bei einem Wärmeverlust von ca. 15 W/m in der Zirkulationsleitung ist das System ab 267 m Leitungslänge überlastet.
Die Praxis zeigt aber noch weitere unangenehme Erscheinungen: Das Beispiel setzt voraus, dass die 4 kW von der Primärseite kontinuierlich verfügbar sein müssen. Im Heizbetrieb ist dies wahrscheinlich kein Problem, da es nur ein kleiner Teil der Gebäudeheizlast darstellt. Allerdings darf dabei darf die Trinkwassererwärmung nicht im Vorrang betrieben werden. Hier empfiehlt sich der Parallelbetrieb, da die Zirkulation gemäß W 551 nur maximal 8 h/d abgeschaltet werden darf. Der Vorrang würde sonst die Raumheizung 16 h/d blockieren. Allerdings ist im Parallelbetrieb kontinuierlich eine hohe Vorlauftemperatur erforderlich.
Außerdem besteht das Problem, dass der Speicher je nach Konstruktion im Inneren eine mehr oder weniger dicke Grenzschicht zwischen 55 und 60 °C besitzt. Je weiter der Speicher aufgeladen wird, desto geringer wird die übertragbare Leistung. Wird der Grenzwert erreicht, ergibt sich eine Leistung von 0 kW.
Was passiert beim Wärmeerzeuger?
Das 3-Wege-Ventil auf der Primärseite der Ladeeinheit reguliert die Austrittstemperatur auf der Sekundärseite (Trinkwasser) hinter dem Plattenwärmeübertrager. Wird die abgenommene Leistung auf der Sekundärseite geringer, riegelt das 3-Wege-Ventil nahezu vollständig ab und es findet trotz kontinuierlicher Wärmeanforderung praktisch keine Durchströmung des Wärmeerzeugers mehr statt. Dies ist für Großwasserraumkessel und auch für Kessel mit Kompaktwärmeübertragern ein kritischer Betriebszustand, der ein Überschwingen der Kesseltemperatur zur Folge haben kann.
Für das Gebäudebeispiel mit NL= 20 kann überschlägig von ca. 100 kW Heizleistung ausgegangen werden. Der Brenner eines Öl- oder Gaskessels müsste somit einen unrealistischen Modulationsbereich von 4 bis 100 kW haben. Also muss der Brenner takten, was in den Pausen zu einer Absenkung der Speichertemperatur führt. Im ungünstigsten Fall wird dadurch der Sollwert von 60 °C nie erreicht.
Für den Spitzenbedarf bedeutet die feste Einstellung des Trinkwasservolumenstroms, dass sich die Vorlauftemperatur nicht ändert und die Leistung des Wärmeübertragers für den Auslegungsfall konstant bleibt. Durch Verschmutzung oder Verkalkung ist diese Annahme ebenfalls unrealistisch.
Die Lösung: Volumenstromregelung
Abhilfe für diese Probleme, die eine Vielzahl der Anlagen (insbesondere Neuanlagen nach der Sanierung) betrifft, ist die Volumenstromregelung auf der Trinkwasserseite, beispielsweise durch eine modulierende Trinkwasserpumpe statt einer drehzahlkonstanten Pumpe mit Strangregulierventil in Serie.
Auf der Primärseite entfällt zudem das 3-Wege-Ventil und eine ständige Durchströmung des Wärmeerzeugers ist garantiert. Die Trinkwassertemperatur wird nun durch die Modulation der Trinkwasserpumpe ausgeregelt, wobei unterschiedliche Vorlauftemperaturen und eventuelle Verschmutzungen des Wärmeübertragers automatisch ausgeglichen werden.
In Bild 4 für die komplette Aufheizung des Speichers ist erkennbar, dass gegen Ende der Durchladung trinkwasserseitig der Volumenstrom nach oben moduliert. Dadurch sinkt die übertragene Leistung nicht unter den für den Brenner erforderlichen Mindestbedarf, so dass kein Taktbetrieb erfolgt. Wird das 500-l-Speicherladesystem mit einem Gas-Brennwertheizkessel mit modulierendem Brenner kombiniert und dem Regler mittels BUS-Kommunikation rechtzeitig eine Reduzierung der Leistung gemeldet, wird die vollständige Aufheizung des Speichers mit nur einem Brennerstart erreicht. Auffällig ist, dass die Rücklauftemperatur sehr lange auf einem Wert für den Kondensationsbetrieb gehalten werden kann.
Genauso günstig verhält sich das System im Zirkulationsbetrieb, der Königsdisziplin für Trinkwassererwärmer. Auch hier wird bei der beschriebenen Kombination eine Wiederaufheizung von 55 auf 60 °C mit nur einem Brennerstart realisiert. Erreicht wird dies durch extreme Volumenstromerhöhung auf der Trinkwasserseite und Modulation des Brenners auf ein Minimum.
Zusammenfassung
Das beschriebene Speicherladesystem wurde von Brötje mit den neuen AquaComfort LSR 300 und 500 bereits umgesetzt. Durch die modulierende Speicherladepumpe auf der Trinkwasserseite und die BUS-Kommunikation mit dem Regler des Wärmeerzeugers wird ein deutlich wirtschaftlicherer Betrieb gegenüber herkömmlichen Systemen erreicht. Die vom DVGW-Arbeitsblatt W 551 kontinuierlich geforderte Mindestaustrittstemperatur von 60 °C wird schon nach kurzer Zeit eingehalten.
Das Ziel, die Leistung des Wärmeübertragers durch Modulation der Pumpe zu erhöhen, um dem Brenner im unteren Modulationspunkt in Betrieb zu halten, wurde mit der Neuentwicklung von Brötje erreicht. Insbesondere in Kombination mit dem Gas-Brennwertheizkessel EuroCondens SGB mit einem großen Modulationsbereich und einer Kesselregelung mit BUS-Kommunikation wird das gewünschte Betriebsverhalten erzielt. Dadurch wird nicht nur Energie gespart, sondern auch die Hygiene in der Trinkwassererwärmungsanlage sichergestellt. Die Welt ist voller Energie. Wir sollten sorgsam damit umgehen und die richtige Technik einsetzen.
Literatur
[1] DVGW W 551 Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen - Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums - Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen. Herausgeber: Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches. Bonn: DVGW, April 2004
[2] Hentschel, Wolfgang; Waider, Dieter: Kommentar zum DVGW-Arbeitsblatt W 551. Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums in Trinkwasser-Installationen. Bonn: wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft, 2004
[3] VDI 6023-1 Hygienebewusstsein in Trinkwasser-Installationen - Anforderungen an Planung, Ausführung, Betrieb und Instandhaltung. Herausgeber: VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung (TGA). Berlin: Beuth Verlag, Juli 2006
[4] Franzheim, Stefan: Vergleich von Auslegungsprogrammen zur Dimensionierung von Trinkwassererwärmungsanlagen anhand von Wohngebäuden und Hotels. Köln: Fachhochschule Köln, Diplomarbeit, August 2002
1)NL= 1 berücksichtigt eine Wohnung mit 3,5 Personen, einer Badewanne, einem Waschtisch und einer Spüle.
Burkhard Maier
Dipl.-Ing., ist Marketingmanager bei August Brötje, 26180 Rastede, Mitarbeiter im Arbeitskreis VDI 6023-1 und zugelassener Schulungsreferent für den Bereich Technik nach VDI 6023-2, Telefon (0 44 02) 8 03 79, E-Mail: bmaier@broetje.de, https://www.broetje.de/
