Hygienisch und bedarfsgerecht

Es existieren unterschiedliche Möglichkeiten, die Versorgung mit warmem Trinkwasser in Gebäuden sicherzustellen. Unabhängig davon, welches System zur Trinkwassererwärmung eingesetzt wird, gilt grundsätzlich bei der Planung, dass Trinkwassererwärmer so klein wie möglich und nur so groß wie nötig ausgelegt werden. Um diese Anforderung zu erfüllen, und um ein stagnationsfreies und hygienisch unbedenkliches Warmwasser zu liefern, sind Durchfluss-Trinkwassererwärmer hilfreiche Bauteile.

Speicher-Trinkwassererwärmer halten jederzeit eine große Menge an erwärmtem Trinkwasser vor, um es bei Bedarf dem Verbraucher an der Entnahmestelle zur Verfügung zu stellen. Die Speicher werden dabei so ausgelegt, dass der mögliche Spitzenbedarf an erwärmtem Trinkwasser über einen bestimmten Zeitraum gedeckt werden kan. Das gesamte bevorratete Wasservolumen wird jedoch täglich maximal nur für einen kurzen Zeitraum benötigt. Dies hat zur Folge, dass die Aufenthaltszeit des erwärmten Trinkwassers mitunter sehr lang ist. Untersuchungen haben bestätigt, dass durchschnittliche Aufenthaltszeiten von 12 bis 24 Std. in mittelgro­ßen und gro­ßen Objekten üblich sind. Ist die Anlage zur Trinkwassererwärmung überdimensioniert, kann die Aufenthaltszeit des erwärmten Trinkwassers im Speicher durchaus mehrere Tage betragen. Um eine hohe Trinkwasserqualität zur Verfügung zu stellen, sind aus hygienischer Sicht geringe Aufenthaltszeiten des Trinkwassers im Gebäude anzustreben. Dieses Ziel ist nicht einfach zu realisieren, da der Trinkwasserbedarf eines Gebäudes zeitlich sehr stark variieren kann (Bild 1). Zudem kann es durch mangelnde Wartung, Ablagerungen und Temperaturbereiche unter 55 °C zu hygienisch sehr bedenklichen Situationen in Speicher-Trinkwassererwärmern kommen. Die Bevorratung von großen Warmwassermengen ist für die Sicherstellung der Hygiene im Sinne der Trinkwasserverordnung deshalb nicht mehr zielführend. Daher fordert die DIN 1988-200, dass die zur Trinkwassererwärmung notwendige Ener­giespeicherung nicht im Trinkwasser, sondern auf der Heizungsseite (Pufferspeicher, Latentwärmespeicher) erfolgen sollte.

Schlanke Systeme im Vorteil
In mittelgroßen und großen Liegenschaften ist die Einhaltung der Trinkwasserhygiene oberstes Ziel. Hygieniker vertreten die Auffassung, dass sich dieses Ziel u. a. nur durch ein schlankes und bedarfsgerecht dimensioniertes Trinkwassersystem realisieren lässt. Natürlich ist hierbei auch die Trinkwassererwärmungsanlage zu berücksichtigen. Daher ist anzustreben, das Trinkwasser immer genau dann zu erwärmen, wenn es vom Verbraucher an der Entnahmestelle benötigt wird. Eine Möglichkeit ist es, zentrale Trinkwassererwärmungssysteme einzusetzen, die nach dem Durchflussprinzip arbeiten. Ein Beispiel dafür ist das „Kemper ThermoSystem KTS“: Erfolgt eine Warmwasserentnahme, wird die jeweils benötigte Trinkwassermenge durch einen Plattenwärmeübertrager im Durchfluss erwärmt. In Abhängigkeit zum Volumenstrom am Trinkwassereintritt steuert eine lernfähige Regelungseinheit die Pumpe auf der Heizungsseite mit einem Sollwert aus einer zuvor selbst entwickelten Prognose über den Prozessverlauf an. Weiterhin überwacht die Regelung über integrierte Sensorik die PWH-Temperatur am Austritt des Trinkwassererwärmers. Die Regelungsparameter werden gespeichert, durch die lernfähige Regelung selbstständig mit neuen Lastfällen verglichen und automatisch optimiert.

Energiespeicherung im Heizsystem
Im Hinblick auf die Energieeffizienz von Durchfluss-Trinkwassererwärmungssystemen verdient die Bereitstellung der Wärmeenergie besondere Beachtung. Die erforderliche Energie zur Erwärmung des Trinkwassers kann über einen Tag verteilt erheblich schwanken. In der Regel ist die Leistung der Wärmequelle nicht ausreichend, um die Spitzenlasten abzudecken. Aus diesem Grund werden Pufferspeicher eingesetzt, um die benötigte Energie im Heizmittel zu bevorraten.
Im Gegensatz zu Trinkwasserspeichern ist in Pufferspeichern eine Schichtung des Heizungsmediums ausdrücklich erwünscht. Aus diesem Grund verfügen moderne Pufferspeicher über Leitbleche, welche für eine turbulenzarme Einschichtung sorgen. Diese Art der Einschichtung sorgt für die Bildung einer möglichst kleinen Mischwasserzone zwischen hoch- und niedrigtemperierten Schichten des Heizmediums. Je kleiner die Mischwasserzone ist, umso größer wird sowohl die hochtemperierte Schicht als auch die niedrigtemperierte Schicht. So kann das Pufferspeichervolumen optimal genutzt werden (Bild 2). Eine temperaturgesteuerte Einschichtung mittels 3-Wege-Umschaltventil kann zu einer noch besseren Temperaturschichtung beitragen. Hierbei erfolgt die Einschichtung des abgekühlten Heizmittels in Abhängigkeit der Temperatur in verschiedene Zonen des Pufferspeichers. Die Heizmittel-Rücklauftemperatur variiert erheblich in Abhängigkeit zur jeweiligen Betriebssituation.

Beispiel 1:
Befindet sich die Anlage im Zirkulationsbetrieb, so müssen nur die Zirkulationswärmeverluste ausgeglichen werden. Das Heizmittel kann durch die hohen Eintritts­temperaturen der Zirkulation (PWH-C mit ca. 55 °C) nicht so stark abgekühlt werden.

Beispiel 2:
Im Bedarfsfall hingegen strömt kaltes Trinkwasser mit einer Temperatur von rund 10 °C in den Trinkwassererwärmer und wird auf eine Wassertemperatur (PWH) von 60 °C erwärmt. Das Heizmittel kühlt sich hierbei bis auf eine Temperatur von ca. 28 °C ab.

Um bei der Einleitung in den Pufferspeicher eine ungewollte Durchmischung des Heizmittels im Pufferspeicher bestmöglich zu verhindern, muss der Heizmittel-Rücklauf aus dem Zirkulationsbetrieb (Beispiel 1) im mittleren Bereich des Pufferspeichers eingeschichtet werden. Das durch Entnahme deutlich stärker abgekühlte Heizmittel (Beispiel 2) muss in den unteren Bereich des Pufferspeichers eingeleitet werden. Diese Aufgabe übernimmt ein temperaturgesteuertes 3-Wege-Umschaltventil. Sowohl die Effizienz des Energiespeichers als auch der Wirkungsgrad der Wärmequelle lassen sich durch diese Art der Energiespeicherung nochmals steigern.
Eine ganzheitliche Betrachtung des Systems ist für einen wirtschaftlichen Betrieb unerlässlich. Sowohl die Nutzungsart des Gebäudes, als auch die Art der Wärmequelle beeinflussen die Auslegung des Pufferspeichers maßgeblich. So ist es möglich, den Pufferspeicher sehr klein zu dimensionieren, wenn die zugeführte Nachheiz­leistung sehr groß ist. Jedoch führt ein kleiner Pufferspeicher zu einer erhöhten Taktung der Wärmequelle. Dies ist z. B. für den wirtschaftlichen Betrieb eines Blockheizkraftwerkes sehr nachteilig. Das günstigste System ist somit nicht immer auch das wirtschaftlichste.

Kaskadenschaltung – Lösung für das Großobjekt
Nutzungsprofile von PWH-Systemen sind über den Tag verteilt durch stark schwankende Verbräuche geprägt. Um sowohl Phasen mit hohem als auch mit niedrigem Verbrauch abdecken zu können, werden häufig mehrere zentrale Erwärmungseinheiten in einer Kaskade zusammengeschaltet. Durch die sogenannte Kaskadenschaltung wird bei kleinen Volumenströmen nur eine Erwärmungseinheit genutzt. Steigt der benötigte Volumenstrom an, werden automatisch die anderen Module nach Bedarf hinzugeschaltet. Hierdurch wird eine hohe Regelgüte erreicht.
Kritisch sind längere Zeitspannen, in denen nur geringe Entnahmevolumenströme erwärmt werden müssen (z. B. Schule im Ferienbetrieb). In diesen Zeiten arbeitet beispielsweise nur eine Erwärmungseinheit. Die übrigen Einheiten der Kaskade sind ohne Funktion. Der Wasserinhalt der Rohrleitungen zwischen den Erwärmungseinheiten sowie in den Einheiten selbst stagniert. Auch hier kann es zu einer gefährlichen Veränderung der Trinkwasserhygiene kommen.
Trinkwasserhygienisch optimierte Systeme verhindern die oben beschriebene Stagnation in den kaskadierten Erwärmungseinheiten sowie in deren Zuleitungen (Bild 3). In längeren Phasen mit niedrigem Bedarf wird die sogenannte Kaskadenrotation aktiviert. Hierbei werden die einzelnen Erwärmungseinheiten volumenabhängig nacheinander betrieben. Durch den permanenten Wechsel werden alle Module regelmäßig durchströmt und so die Trinkwasserhygiene gesichert. Außerdem werden die Betriebsstunden gleichmäßig auf die Module verteilt, sodass ein gleichmäßiger Gebrauch sichergestellt ist.

Fazit
Durchfluss-Trinkwassererwärmer ermöglichen nicht nur eine hygienische Warmwasserbereitung. Durch die Energiespeicherung in Pufferspeichern kann obendrein noch ein energieeffizienter und somit wirtschaftlicher Betrieb ermög­licht werden. Die Wirtschaftlichkeit eines Trinkwassererwärmungssystems wird aber stark von der anfänglichen Auslegung beeinflusst. Hersteller wie Kemper unterstützen den Kunden daher in beratender Funktion bei der Auslegung des Gesamtsystems. Für eine optimierte Auslegung des „ThermoSystems KTS“ benötigt der Hersteller beispielsweise einen ausgefüllten Erfassungsbogen, der die objektspezifischen Rahmenbedingungen abfragt.

Autoren: Timo Kirchhoff, M. Eng. Stellv. Leiter Produktmanagement der Gebr. Kemper GmbH + Co. KG, und Robin Diekmann, B. Eng. Produktmanagement der Gebr. Kemper GmbH + Co. KG

Bilder: Gebr. Kemper GmbH + Co. KG

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