Bedarfsgerechte Trinkwassererwärmung - Unterschiedliche Anforderungen der Wärmebedarfe von Gebäuden

Diese Notwendigkeit der Differenzierung des Wärmebedarfs für Warmwasser und des Wärmebedarfs für Raumwärme war bereits in den ersten Jahren nach Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV) abzusehen. Heute, wo das Passivhaus sich nahezu zum Standard entwickelt, wird es schon auf den ersten Blick auf die Bilanzierung augenscheinlich, dass es sich hier um zwei völlig verschiedene Systeme handelt. Die einzige noch bestehende Gemeinsamkeit ist die Energieform: Wärme.

Unterschiede in den Anforderungen
Die wesentlichen Unterschiede in den Anforderungen von Warmwasserbedarf und Wohnwärmebedarf sind in der unten stehenden Tabelle aufgeführt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Warmwasserbedarf zwar konstant ganzjährig benö­tigt (Bereitstellung) wird, in seinem Lastprofil aber extreme Schwankung bereits im Tagesprofil aufweist, was beim Wärmebedarf für den Raum so überhaupt nicht der Fall ist.
Diese Lasten für den Raumwärmebedarf sind zwar dynamisch im Sinne einer witterungsgeführten Heizungsregelung, aber in ihrer Betriebszeit (Bereitstellung nur während der Heizperiode, die immer kürzer wird) sich sehr ausgeglichen mit sehr geringen Lastschwankungen verhält.
Ein weiterer Aspekt sind die heute eklatanten Unterschiede in den Systemtemperaturen. Während man für den Raumwärmebedarf kaum mehr als 35°C, maximal 40°C im Auslegungsfall benötigt (und der erstreckt sich selten über einen längeren Zeitraum als drei Wochen), sind es für den Warmwasserbedarf mindestens 55°C. Hinsichtlich der Hygieneanforderungen von Trink-Warmwasser  (TwVo, DVGW-Regularien usw.) inkl. Zwangszirkulation sogar mehr in der Bereitstellung.
Die konventionelle Warmwasserbereitung einer wassergeführten Zentralheizungsanlage unterscheidet des Weiteren noch in Frischwassertechnik und Bevorratung. Nicht nur die Bevorratung verlangt deutlich höhere Temperaturen (Legionellenschutz), sonder auch die Frischwassertechnik aufgrund entsprechender Wärmeübertragungsverluste durch Leitungsführung und Systemtrennung.
Der Wärmebedarf für den Raum verlangt heute mitnichten zwingend eine Flamme. Die heutigen Lastanforderungen sind längst mit Solar- und Umweltwärme regenerativ abzudecken. In solchen Fällen, die über bestimmte Spitzenlastanforderungen verfügen oder wo höhere Systemtemperaturen benötigt werden, steht die Gas-Brennwerttechnik ergänzend zu Verfügung.
Die Effizienz zur Bereitstellung von Raumwärme wird in diesen niedrigen Systemtemperaturen durch die typischen Spitzenlasten des Warmwasserbedarfs vielmehr gestört. Der Wirkungsgrad von Wärmeerzeugern, wie z.B. einer Wärmepumpe, wird durch diese Lastdifferenzen selten sein mögliches Maximum ausschöpfen können. Während z.B. erdgekoppelte Wärmepumpen, die nur für die Bereitstellung von Raumwärme im Niedrigsttemperatursystem bequem eine Jahres-Arbeitszahl von mehr als 5,0 aufweisen können, sind es jene Spitzenlasten im Hochtemperaturbereich, welche die Jahres-Arbeitszahl durchaus unter 4,0 abfallen lassen können.
Möchte man aber doch effizient das Warmwasser aus Umweltwärme generieren, macht es nicht selten Sinn, ein entsprechendes Hochtemperatur-Aggregat als separaten Wärmeerzeuger in die Anlage zu intergirieren, oder mit einem Spitzenlast-Gaskessel eine bivalente Betriebsweise  zu realisieren. Dieser anlagentechnische Aufwand ist bei entsprechenden Lastanforderungen sicher vertretbar, vor allem bei der Integration einer solarthermischen Anlage. Eine kostengünstigere und den Bauzeiten­ablauf optimierende Möglichkeit bieten allerdings dezentrale, elektrische Warmwassergeräte.

Elektrische Warmwasserversorgung
In vielen Fällen aber macht es so dermaßen Sinn, die Warmwasserversorgung dezentral elektrisch bereitzustellen, dass man daraus fast schon eine allgemeine Feststellung abzuleiten versucht ist. Selbst in Einfamilienhäusern mit einer verhältnismäßig hohen Warmwasserlast, in Büro- und Verwaltungsgebäuden sowieso, besticht eine dezentrale elektrische Warmwasserversorgung allein schon in der deutlichen Reduzierung des baulichen Aufwandes an Installation und Qualitätssicherung.
Durch die Dezentralisierung Warmwasserversorgung, eben auch durch eine dezentrale Wärmebereitstellung direkt an sämtlichen Entnahmestellen bzw. Raumbereiche (Sanitärräume, usw.), reduziert sich der Montageaufwand der Trinkwasser-Versorgungsleitungen um mehr als die Hälfte, da nicht nur auf die Trink-Warmwasserleitung, sondern auch auf etwaige WW-Zirkulationsleitungen, verzichtet werden kann. Im Mehrgeschosswohnungsbau wird somit nur ein Kalt-Trinkwasser-Versorgungsnetz installiert, welches in jede Wohnung geführt wird.
Neueste Produktinnovationen erlauben es, selbst einzelne Entnahmestellen dezentral mit elektrischen Warmwassergeräten auszustatten. Ab 26. September 2015 sind Warmwassergeräte mit einem europaweit einheitlichen Energielabel gekennzeichnet.

Moderne Warmwassergeräte
Elektrische Warmwassergeräte unterscheiden sich ebenfalls in Frischwassertechnik (Durchlauferhitzer) und Bevorratung (Warmwasserspeicher). Ein Klassiker der Warmwassergeräte ist das wandhängende Kochendwassergerät mit festem Kaltwasseranschluss und Mischbatterie. Diese Geräte können mit frei einstellbarer, thermostatischer Temperaturwahl bis zu 5 l Wasser erwärmen, erhitzen und zum Kochen bringen. Diese sehr effizienten Geräte ersetzen also nicht nur den mobilen Wasserkocher, sondern stellen auch bei Bedarf Warmwasser für die Spülen in entsprechender Temperatur zu Verfügung.
Durchlauferhitzer verzichten völlig auf eine Vorhaltung und weisen dementsprechend keine Bereitstellungsverluste auf. Sie sind mit der hydraulischen Frischwassertechnik vergleichbar und liefern bedarfsorientiert hygienisch einwandfreies Trink-Warmwasser je nach Leistungsbereich im Durchflussprinzip. Durchlauferhitzer (DLE) werden in verschiedenen Leis­tungsbereichen angeboten.

• Mini-DLE, 1,5 – 3 kW, für einzelne Entnahmestellen,
• Klein-DLE, 3 – 7 kW, Handwaschbecken und Waschtische,
• Kompakt-DLE, 11 – 13 kW, für Duschbäder  kleiner Wohneinheiten,
• Komfort-DLE, 18 – 27 kW, für Gruppenversorgung (WE).

Für die Bereitstellung von Warmwasser (Bevorratung) bietet der Markt eine Vielzahl von Warmwasserspeicher mit elektrischer Direktheizung

• Warmwasserspeicher (offen), 5 – 15  l,
• Warmwasserspeicher (geschlossen), 10 – 150 l (wandhängend)
• Standspeicher (geschlossen), 200 – 600 l (bodenstehend)

Der Vorteil in der Bevorratung liegt sicherlich auch in der Möglichkeit elektrische Energie zu speichern. Nach der Umwandlung von elektrischer in thermische Energie kann diese in entsprechenden Speichern „zwischengelagert“ werden. D.h., es können auf diese Weise Lastspitzen sowohl in der zentralen, als auch in der dezentralen Stromversorgung ausgeglichen werden.

Warmwasser-Wärmepumpen
Warmwasserwärmepumpen sind wandhängend bis 100 l und bodenstehend bis 300 l lieferbar und seit vielen Jahren bewährt. In der elektrischen Warmwasserbereitung bieten sie nicht nur die Möglichkeit, aufgrund der Funktionsweise der Wärmepumpe, den Strombedarf auf ein Drittel zu reduzieren, sondern auch Systemintegrationen, wie beispielsweise in der Wohnungslüftung.
Sowohl in einzelnen Wohnungen des Mehrgeschosswohnungsbaus (wandhängend), als auch in Einfamilienhäusern können Warmwasserwärmepumpen (bodenstehend) energieeffizient mit Abluftanlagen verbunden werden. Dabei nutzt die Wärmepumpe den Abluft-Volumenstrom als Wärmequelle. Auf diese Weise kann die Jahresarbeitszahl der Warmwasserwärmepumpe wesentlich optimiert werden.

Warmwasserbedarf und Luftwechsel
Im modernen Wohnungsbau steht der Wärmebedarf für Warmwasser weniger im Zusammenhang mit dem Heizwärmebedarf für die Raumwärme, sondern vielmehr mit dem notwendigen Mindest-Luftwechsel zum baulichen Feuchteschutz. Besonders nach der Nutzung von Badezimmern und Duschbädern (Wasserdampfsättigung der Raumluft) besteht eine temporär maximale Notwendigkeit eines Luftwechsels in diesen Räumen, um Tauwasserausfall und Wasserdampfaktivität an Bauteilen auszuschließen. Ebenso besteht wieder Bedarf für eine Warmwasserbereitstellung. Im Sinne einer konsequenten Energieanwendung wäre es also durchaus nachvollziehbar, die Warmwasserbereitung vielmehr mit der Wohnungslüftung in Verbindung zu bringen, als mit der Raumheizung.

Solare Trinkwassererwärmung mit PV
Für die Gebäudeintegration der Photovoltaik bieten sämtliche elektrischen Warmwassergeräte  die notwendigen Verbraucher. Der Markt bietet bereits erste Warmwasserwärmepumpen, welche über einen direkten Anschluss an den Wechselrichter verfügen.  Innovative Speicher- und Bereitstellungskonzepte ermöglichen einen entsprechenden Lastausgleich und bieten somit weiterhin die Möglichkeit einer solaren Warmwasserbereitung im Sommer. Diese ist mitnichten von einer Wärmepumpe abhängig. Beispielsweise kann in Standspeichern mit integriertem Elektroheizstab  in Wärme umgewandelte elektrische Energie dezentral gespeichert werden.
Bei der Nutzung von Durchlauferhitzern muss die relativ hohe zuzuführende elektrische Leistung berücksichtigt werden, die bei einer Bevorratung mit Speichern deutlich geringer ist. Einsteckheizkörper für Standspeicher bieten Leistungsbereiche von 1,5 – 9 kW elektrischer Leistung. Die Leistungen sind jeweils stets mit der Leistung des PV-Generators, als auch mit der daraus resultierenden Speicher- und Bereitstellungstechnik abzugleichen.

Fazit
Die Energieform Strom bietet vielfältige Möglichkeiten einer effizienten Energieanwendung zur Erzeugung und Bereitstellung von warmem Wasser für Wohn- und Nichtwohngebäude, was auch den hygienischen Anforderung zu entsprechen vermag.

Autor: Frank Hartmann

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