Trinkwassererwärmung im System

Die Bereitstellung von Trinkwarmwasser erfordert neben der Einhaltung hygienerechtlicher Vorgaben eine effiziente Planung und Betriebsweise von Trinkwasserinstallationen. Wie die Anforderungen der Trinkwasserverordnung (TrinkwV 2001) mit hoher Systemeffizienz verbunden werden können, zeigt der Energieanlagenspezialist Yados mit seiner patentierten Versorgungslösung. Die umfassende Netzmodernisierung des Wohngebietes Elfrath in Krefeld veranschaulicht das Potenzial.

Über 50 % des gesamten deutschen Wärmebedarfs entfallen aktuell auf die Trinkwassererwärmung. Damit steht ein verantwortungsbewusster Umgang mit energetischen Ressourcen weiter im Fokus von Versorgern und Betreibern. Wesentlichen Einfluss auf einen wirtschaftlichen und energiesparenden Anlagenbetrieb hat die Netzrücklauftemperatur. Dabei gilt: je geringer die Rücklauftemperatur, desto höher der Systemwirkungsgrad. Durch die Senkung der primärseitigen Rücklauftemperatur kann der benötigte Volumenstrom deutlich reduziert werden. Dies wiederum bedeutet, dass Leistungsgröße und Strombedarf der Pumpen ebenfalls kleiner ausfallen können und sich Wärmeverluste im Netz gleichzeitig verringern.
Neben den Effizienzanforderungen sind bei der Trinkwassererwärmung auch die gesetzlichen Vorgaben zur Trinkwasserhygiene einzuhalten. Die TrinkwV 2001 fordert zum Schutz der menschlichen Gesundheit, dass an allen Entnahmestellen dauerhaft einwandfreies Trinkwasser zur Verfügung stehen muss. Gewährleistet wird dies u. a. durch die Vermeidung von stagnierendem Trinkwasser und kritischen Temperaturen in Trinkwasserinstallationen. Auslöser einer unzulässigen Absenkung oder Erhöhung der Temperatur kann ein ungenügender Wasseraustausch sein, der dazu führt, dass Trinkwasser über längere Zeit in der Anlage ruht. Die empfohlene Verweilzeit des Trinkwassers sollte 8 Std. nicht überschreiten (Infokasten: Arbeitsblatt DVGW W 551).
Die sichere Einhaltung der Vorgaben zur Trinkwassererwärmung und Wasserzirkulation bei Trinkwassererwärmern sind in der Regel mit hohen energetischen Aufwänden und Investitionen verbunden. Betreiber und Versorger sehen sich vor der Herausforderung, ökonomische und ökologische Überlegungen mit den geltenden hygienerechtlichen Anforderungen in Einklang zu bringen. Wie die mitunter gegenläufigen Zielsetzungen vollständig in einer hochentwickelten Anschlusstechnologie umgesetzt werden können, zeigen die in Krefeld-Elfrath verbauten Trinkwassererwärmungsanlagen „Yado Aqua PR“ des Unternehmens Yados.

Fernwärmenetz Krefeld: Effizienz beginnt bei der Planung
Ende 2016 haben die SWK Stadtwerke Krefeld AG die Anbindung des Wohnquartiers Elfrath an das Fernwärmenetz Krefeld erfolgreich abgeschlossen. Die Gebäude sind nun durchweg mit einer Versorgungslösung ausgestattet, die sowohl die rechtsverbindlichen Vorgaben zur Trinkwasserhygiene als auch die geforderte Systemeffizienz erfüllt. In einem Umsetzungszeitraum von knapp 3 Monaten wurden insgesamt 25 neue Fernwärmeübergabestationen einschließlich nachgeschalteter Trinkwassererwärmungssysteme installiert. Sämtliche Anlagenkomponenten hatte Yados nach bedarfsspezifischen Vorgaben vorkonfektioniert und gemeinsam mit regionalen Heizungsbauern sowie einem ortsansässigen Planungsbüro implementiert. Dabei erfolgten Rückbau und Austausch der veralteten Anlagentechnik wie auch notwendige Leitungs- und Straßenbauarbeiten während des laufenden Gebäudebetriebes.
Bereits bei der Planung und Bemessung eines Leitungsnetzes lassen sich durch die effektive Senkung der Rücklauftemperatur Effizienzpotenziale erschließen. Abhängig von der Temperaturspreizung, also der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur, verringert sich der benötigte primäre Volumenstrom. Bei einer Vorlauftemperatur von 80 °C und einer Senkung der Rücklauftemperatur von 55 auf 40 °C kann der Heizwasservolumenstrom bereits um 30 % minimiert werden. Gleichzeitig führt der geringere Volumenstrom zu weniger Strömungsverlusten.
Für die Auslegung des Netzes ergeben sich dadurch Einsparmöglichkeiten. Der reduzierte Volumenstrom erlaubt Planung und Umsetzung mit geringeren Rohrleitungsquerschnitten und kleineren Pumpengrößen, da mit dem verminderten Strömungsverlust auch der benötig­te Pumpendifferenzdruck fällt. Der niedrigere Energiebedarf und die schwächere thermische Beanspruchung des Installationsmaterials wirken sich positiv auf Wirtschaftlichkeit und Amortisationszeit aus. Wird weniger Fernheizwasser benötigt, kann zudem seitens des Versorgers eine entsprechende Begrenzung der Anschlusswerte erfolgen.

Funktionsskizze eines TWE-Systems
Die Entwicklung der in Krefeld-Elfrath installierten Trinkwassererwärmungsanlagen erfolgte nach Regelwerksvorgaben der TrinkwV 2001 und des DVGW-Arbeitsblattes W 551. Das vom Deutschen Marken- und Patentamt patentierte System wurde im geförderten Forschungsprojekt „Low Ex-Systeme (Anm.: Niedrig-Exergie), Breitenanwendung von Niedertemperatursystemen als Garanten für eine nachhaltige Wärmeversorgung“ unter Projektleitung der Stadtwerke München eingehend getestet. Die Wirksamkeit des Niedertemperatursystems resultiert aus einer starken Rücklauftemperaturauskühlung. Die deutliche Senkung der Fernwärme-Rücklauftemperaturen erfolgt in einem zweistufigen Speicherladeprozess. Durch Nutzung hoher primärseitiger Vorlauftemperaturen kann der Heizwasservolumenstrom im Prozess deutlich verringert und heizwasserseitig können niedrige Rücklauftemperaturen erzielt werden. Bei der Speicherladung wird die Trinkwarmwassertemperatur des Zirkulationsvolumenstroms im Nacherwärmer zunächst auf 60 °C erhöht. Parallel kühlt Wasser aus dem Trinkwarmwasserspeicher den Heizwasservolumenstrom im Vorerwärmer ab. Wird über die Zapfstelle im oberen Teil des Speichers Trinkwarmwasser entnommen, fließt kaltes Wasser in den unteren Teil des Pufferspeichers nach. Dabei kommt es zu einer stabilen Temperaturschichtung, bei der keine größere Mischzone durch Wärmeströmung entsteht. Wird dem Pufferspeicher über längere Zeit, z. B. nachts, kein Wasser entnommen, strömt auch kein Kaltwasser in den unteren Speicherbereich nach. Das restliche kalte Wasser wird vom Trinkwarmwasser so lange verdrängt, bis im Trinkwarmwasserspeicher 60 °C erreicht sind, erst dann steigt die Primärrücklauftemperatur wieder an. Die kontinuierliche Erwärmung des Zirkulationsvolumenstroms im Rücklaufauskühlungsbetrieb vermeidet (hydraulisch) Stagnationswasser innerhalb des Trinkwassernetzes und gewährleistet die Einhaltung der thermischen Vorgaben zur Legionellenprävention.

Präzisionsbetrieb mit intelligenter Leit- und Kommunikationstechnik
Die zunehmende Netzintegration erneuerbarer Energiequellen, die Forderung nach hoher Anlagenverfügbarkeit mit Verbrauchsoptimierung und die sicherzustellende Trinkwarmwasserqualität stellt Netz- und Anlagenbetreiber vor komplexere Steuerungs- und Regelungsaufgaben. Eine intelligente Steuerung und Überwachung von Energieerzeugern, Wärmenetzen oder auch Wärmeübergabestationen ist die Aufgabe zentraler Leit- und Kommunikationstechnik. Übergeordnete Regelsysteme wie die zentrale Leittechnik „Yado Link“  überwachen, erfassen und analysieren Daten in Echtzeit, senden Systemmeldungen und greifen per Fernwartung in die laufenden Erzeugungs- und Verteilprozesse ein. Dabei erstellt ein Visualisierungstool Anlagenbilder, über die angesteuerte Anlagenteile und Anlagenparameter geregelt sowie aktuelle Informationen (wie Temperaturen, Drücke, Betriebs- und Störmeldungen) abgefragt werden können. Aus den erfassten Daten und Analysen können darauf aufbauend präzise Optimierungsmaßnahmen für den weiteren Anlagenbetrieb generiert werden.
Bereits heute ist das TWE-System bundesweit in vielen Städten (darunter München, Augsburg, Erding, Markt Schwaben, Freising, Ulm, Stuttgart, Freiburg, Frankfurt, Offenbach, Köln, Bonn, Krefeld und Potsdam) sowie in vielen kleineren Fernwärmenetzen im Einsatz.

Autor: Karl Gentner, Yados GmbH

Bilder: Yados GmbH

www.yados.de

Infokasten: Arbeitsblatt DVGW W 551
Nach Arbeitsblatt DVGW W 551 gilt für die Auslegung von Großanlagen zur Trinkwassererwärmung für Speicherwassererwärmer unter Berücksichtigung sicherheitsspezifischer Anforderungen (z. B. Verbrühschutz) u. a.:

• Austrittstemperatur des Trinkwarmwassers von 60 °C.
• Mindesttemperatur des Trinkwarmwassers von 55 °C in der Zirkulationsleitung.
• Eine tägliche Durchladung des gesamten Wasserinhalts auf 60 °C wegen Vorwärmstufe.
• Gleichmäßige Wassererwärmung, die konstruktionsseitig oder durch technische Maßnahmen, etwa durch Umwälzung, zu gewährleisten ist.
• Vermeidung einer großen Mischzone im Speicher durch Warmwasserentnahme.
• Eine Ausstattung mit angemessen dimensionierten Zirkulationsleitungen und -pumpen oder Begleitheizungen bei sachgerechter Betriebsweise (ohne Zirkulationsunterbrechung von mehr als 8 Std.)