Trinkwassererwärmung – hygienisch einwandfrei

Durchflusssysteme zur Trinkwassererwärmung erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Gegenüber Trinkwasserspeichern haben sie den großen Vorteil, dass das Wasser bedarfsgerecht in der benötigten Menge erwärmt und zur Verfügung gestellt werden kann. Die zur Deckung der Bedarfsspitzen benötigte Energie wird nicht mehr im Trinkwasser, sondern auf der Heizungsseite in Heizwasserspeichern bevorratet. Somit wird der hygienische Risikobereich des Speicher-Trinkwassererwärmers eliminiert. Ein Aspekt, der für Fachplaner häufig eine Herausforderung darstellt, ist die Auslegung des Erwärmungssystems. Unabhängig davon, ob es sich dabei um einen Speicher- oder einen Durchfluss-Trinkwassererwärmer handelt.

Die Sorge, die Trinkwassererwärmung zu klein auszulegen, führt häufig zu einer Überdimensionierung der Anlage. Ursache dafür ist u. a., dass derzeit normativ nur ein Auslegungsverfahren für Wohngebäude durch die DIN 4708-2:1994-04 exis­tiert. Im Zuge der Umsetzung der Europäischen Gebäuderichtlinie und als Ersatz für die EN 15316-3-1:2007 wurde die DIN EN 12831-3 erarbeitet und im Dezember 2014 als Entwurf veröffentlicht. Das dort beschriebene Auslegungsverfahren ist neben Wohngebäuden auch für weitere Gebäudearten gültig. Unabhängig von der verwendeten Richtlinie, stellt die Basis jeder Auslegung die Bedarfsermittlung dar. Der Bedarf ist von der Nutzungsart des Gebäudes abhängig. Wohngebäude unterliegen beispielsweise einer anderen Nutzung als eine Schule oder ein Krankenhaus. Aus dem Bedarf ergibt sich die benötigte Wärmemenge, welche in entsprechenden Zeiträumen für die Trinkwassererwärmung zur Verfügung gestellt werden muss.

Die DIN 4708
Das Dimensionierungsverfahren der DIN 4708 definiert den Wärmebedarf in der Bedarfskennzahl N, die durch die Anzahl der Personen je Wohnung und die Sanitärausstattung bestimmt wird. Die Bedarfskennzahl N = 1 ist eine Einheitswohnung, die als Vierzimmerwohnung mit 3,5 Personen und einer Sanitärausstattung bestehend aus einer Badewanne, einem Waschtisch und einer Küchenspüle definiert ist. Weichen Wohnungen aufgrund der Belegung oder der Ausstattung von der Einheitswohnung ab, müssen diese in Einheitswohnungen umgerechnet werden. Der zu deckende Wärmebedarf des Trinkwassererwärmers entspricht dann dem n-fachen einer Einheitswohnung. Des Weiteren beschreibt die DIN 4708 Teil 3 ein Verfahren zur Leistungsprüfung von Trinkwassererwärmern. Mit diesem kann überprüft werden, wie viele Einheitswohnungen der jeweilige Trinkwassererwärmer versorgen kann. Das Ergebnis wird in der Leistungskennzahl NL angegeben. Um den Bedarf eines Gebäudes abdecken zu können, muss die Bedingung NL ≥ N erfüllt sein.

Die DIN EN 12831-3
Um Wärmemengen gebäudetypisiert ermitteln zu können, wählt die DIN EN 12831-3 einen anderen Ansatz. Sie eröffnet hiermit die Möglichkeit, Anlagen zur Trinkwasserererwärmung präziser auszulegen und energieeffizienter sowie wirtschaftlicher betreiben zu können. Die Ermittlung des Bedarfs erfolgt über Bedarfsprofile und Tageswärmebedarfe an erwärmtem Trinkwasser. Sie basiert auf der Tatsache, dass sich in Objekten gleicher Nutzungsart die Höhe der Bedarfsspitzen als auch die Summe der Wärmemengen über einen Tag verteilt stark ähneln. Aus diesem Grund sind Bedarfs­profile einer bestimmten Nutzungsart auf andere Objekte mit derselben Nutzungsart übertragbar. Dies wird beispielhaft an Bild 1 verdeutlicht. Es zeigt die Bandbreite des stündlichen Tageswärmebedarfs von vier Seniorenheimen. Es ist zu erkennen, dass die Abweichung der stündlichen Anteile des Tageswärmebedarfs maximal 15 % beträgt. Ist der Tageswärmebedarf eines weiteren Objektes gleicher Nutzung bekannt, kann über die prozentuale Verteilung des Bedarfsprofils der Bedarf für ein weiteres Objekt ermittelt werden.
Der Tageswärmebedarf eines Gebäudes kann über sogenannte Bezugsgrößen ermittelt werden, welche aus messtechnischen Untersuchungen oder Statis­tiken hervorgehen und in verschiedener Literatur oder dem Anhang der Richtlinie zu finden sind. Bezugsgrößen geben den Warmwassertagesbedarf bezogen auf eine definierte Größe an. Sie werden in personen- und sachbezogene Bezugsgrößen unterschieden. Als personenbezogene Bezugsgrößen können beispielsweise der Warmwasserbedarf pro Bett in einem Krankenhaus oder Seniorenheim als auch der Warmwasserbedarf pro Person in einer Wohnung genannt werden. Ein Beispiel für eine sachbezogene Bezugsgröße ist der Warmwasserbedarf für eine Mahlzeit in einer Kantine oder einem Restaurant. Durch die Multiplikation einer Bezugsgröße mit der Anzahl der vorhandenen Bezugsgrößen wird der Tageswärmebedarf ermittelt. Wenn dieser Wert mit den stündlichen Anteilen des Tageswärmebedarfs eines bestehenden Bedarfsprofils auf einen Tag verteilt wird, entsteht ein Bedarfsprofil für ein neues Objekt. Zum Erscheinungsdatum des Entwurfs dieser Norm sind keine bzw. sehr wenige Bedarfsprofile frei verfügbar. Daher kann es erforderlich sein, eigenständig Daten messtechnisch zu erfassen oder die Hilfe von Herstellern in Anspruch zu nehmen, die ihrerseits bereits Bedarfsprofile erstellt haben.

Erstellung von Bedarfsprofilen
Um repräsentative Messdaten zu erlangen, wird ein Messzeitraum von mindes­tens 14 Tagen empfohlen. Dadurch wird jeder Wochentag doppelt erfasst und es können ggf. Unregelmäßigkeiten im Bedarf erkannt werden. In Verbindung mit Durchfluss-Trinkwassererwärmern ist bei der Messwertaufnahme die zeitliche Ablagerate der Messgrößen von entscheidender Bedeutung. Werden die Messwerte über einen zu langen Zeitraum gemittelt, fällt die Dämpfung der Messwerte zu stark aus und die Übertragungsleistung des Durchfluss-Trinkwassererwärmers wird demzufolge zu gering eingeschätzt. Werden die Messwerte im Gegensatz sekündlich ausgewertet, sind sehr hohe Bedarfsspitzen zu erwarten. Die Übertragungsleistung des Durchfluss-Trinkwassererwärmers fällt somit sehr hoch aus und eine Überdimensionierung der Anlage ist die Folge. Um die Überdimensionierung zu vermeiden, hat sich in der Praxis für Großanlagen, wie Krankenhäusern, Altenheimen oder Hotels, die Bildung des Mittelwertes über einen Zeitraum von 60 Sek. bewährt. Hierdurch hervorgerufene Absenkungen der Austritts­temperatur des Trinkwassererwärmers im Minutenbereich sind nach DIN 1988-200:2011-05 Abs.: 9.7.2.2 tolerierbar. Der Nutzer nimmt diese kurzzeitigen Absenkungen aufgrund der Pufferwirkung des Rohrnetzes nicht wahr. Diese Mittelung der Messwerte hat keinen Einfluss auf die insgesamt benötigte Wärmemenge. Somit bleibt die Größe des Heizwasserspeichers unverändert.
Für die Weiterverwendung der Mess­daten wird das Vorhandensein verschiedener Angaben zum Gebäude vorausgesetzt. Die Auslastung des Gebäudes während der Messung ist von großer Bedeutung. Zudem ist die Wahl einer geeigneten Bezugsgröße, welche übertragbar auf andere Objekte gleicher Nutzungsart ist, essenziell für die weitere Verwendung des Bedarfsprofils. Ist das Objekt während des Messzeitraums nicht zu 100 % ausgelastet, muss das Bedarfsprofil angepasst werden. Des Weiteren ist der Volumenstrom der Trinkwasser-Zirkulation nicht zu vernachlässigen. Er muss bei jedem Gebäude separat ermittelt werden, da er von der jeweiligen Rohrleitungsführung und dem Gebäude abhängig ist.

Dimensionierung einer Frischwasserstation mittels gemessener Bedarfsprofile
Die messtechnisch ermittelten Daten lassen sich grafisch in sogenannten Wärmeschaubildern darstellen (Bild 2). Hierbei wird die notwendige Wärmeenergie für die Trinkwassererwärmung kumuliert über einen Zeitraum von 24 h als Bedarfskennlinie aufgeführt. Da die Wärmequelle in der Regel zur Deckung der Spitzenlasten über keine ausreichende Leistung verfügt, kommen Heizwasserspeicher zum Einsatz. Die Nachladeleistung der Wärmequelle und die gespeicherte Wärmemenge im Heizwasserspeicher stehen in Korrelation. Verringert sich das gespeicherte Volumen, muss die Nachladeleis­tung der Wärmequelle entsprechend erhöht werden und umgekehrt. In der Praxis muss der Fachplaner einen Kompromiss zwischen der Größe des Heizwasserspeichers und der Leistung der Wärmequelle finden. Eine zu gering gespeicherte Wärmemenge bedeutet eine zu hohe Taktung der Wärmequelle, welche sich nachteilig auf die Lebensdauer und den effizienten Betrieb der Wärmequelle auswirken kann. Wird hingegen die Nachladeleistung reduziert und die gespeicherte Wärmemenge vergrößert, erhöhen sich die Bereitschaftsverluste und die Investitionskosten. Zudem ist die Größe des Heizwasserspeichers häufig durch Einbringöffnungen und Stellflächen begrenzt.
Bild 2 zeigt ein Wärmeschaubild, in dem die Kapazität des Heizwasserspeichers in einem ausgewogenen Verhältnis zur Leistung der Wärmequelle steht. Der senkrechte Abstand zwischen der Angebots- und der Bedarfskennlinie bildet die benötigte Wärmekapazität des Heizwasserspeichers (Zustand 3). Aus der positiven Steigung der Angebotskennlinie kann die effektive Nachladeleistung der Wärmequelle entnommen werden (Zustand 8). Die Wärmeverluste des Heizwasserspeichers und der Verteilleitungen außerhalb der Nachladung sorgen für eine negative Steigung der Angebotskennlinie (Zustand 5). Im Gegensatz zu Trinkwasserspeichern ist in Heizwasserspeichern, die Wärmeenergie zur Erwärmung von Trinkwasser bevorraten, eine Schichtung ausdrücklich erwünscht. In Zustand 4 ist der Heizwasserspeicher maximal entladen. An diesem Punkt stellt der Abstand zwischen der Angebots- und der Bedarfskennlinie die niedrig temperierte, für die Trinkwassererwärmung nicht nutzbare Schicht des Heizwasserspeichers dar.
Mithilfe von Leitblechen sorgen moderne Heizwasserspeicher für eine turbulenzarme Einschichtung der Medien, wodurch eine möglichst kleine Mischwasserzone zwischen hoch- und niedrig temperierten Schichten resultiert. Denn je kleiner die Mischwasserzone ist, umso größer wird sowohl die hochtemperierte Schicht mit nutzbarer Speicher-Austritts­temperatur für die Trinkwassererwärmung als auch die niedrig temperierte Schicht, die im Rücklauf der Wärmequelle zugeführt wird.

Kaskaden und die Trinkwasserhygiene
Nutzerprofile von PWH-Systemen sind, über den Tag verteilt, durch stark schwankende Verbräuche geprägt. Der Spitzenwärmebedarf wird in den meisten Fällen nur über einen verhältnismäßig kleinen Zeitraum benötigt. Um sowohl Phasen hohen als auch niedrigen Bedarfs abdecken zu können, werden häufig mehrere zentrale Erwärmungseinheiten in einer Kaskade zusammengeschaltet. Dadurch wird sowohl bei kleinen Volumenströmen, wenn beispielsweise nur eine Erwärmungseinheit in Betrieb ist, als auch bei hohen Spitzenvolumenströmen, wenn alle Erwärmungseinheiten in Betrieb sind, eine hohe Regelgüte erreicht. Ebenfalls werden durch die Kaskadenschaltung die Druckverluste des Trinkwassererwärmers reduziert. Kaskadenschaltungen sollten auf mögliche negative Auswirkungen auf die Trinkwasserhygiene überprüft werden. Gehen einzelne Erwärmungsmodule über längere Zeiträume mit nur geringen Entnahmevolumenströmen (z. B. Schule in Ferienzeit) nicht in Betrieb, kommt es zu Stagnation in diesen Modulen und ihren Zuleitungen. Moderne Trinkwassererwärmer, wie das Kemper-„ThermoSystem KTS“, verfügen über eine sogenannte Kaskadenrotation. Die kaskadierten Module werden dabei automatisch wechselnd in Betrieb genommen um Stagnation zu vermeiden.

Fazit
Die Dimensionierung von Trinkwassererwärmungssystemen stellte für Fachplaner häufig eine Herausforderung dar, denn bislang gab es mit der DIN 4708 nur ein Dimensionierungsverfahren für Wohngebäude. Mit der DIN EN 12831-3 erhält der Fachplaner ein Werkzeug, um auch Trinkwassererwärmer für Gebäude anderer Nutzungsart zu dimensionieren. Die Basis dieser Richtlinie stellen Bedarfsprofile für verschiedene Gebäudetypen dar. Da diese noch nicht in ausreichendem Umfang vorhanden sind, kann es notwendig sein, selber Messungen durchzuführen. Unternehmen wie Kemper verfügen bereits über eine große Sammlung an Bedarfsprofilen für verschiedenste Nutzungsarten und unterstützen den Fachplaner bei der Auslegung der Anlagen.

Autor: Timo Kirchhoff M. Eng.,
Stellvertretener Leiter Produktmanagement
bei der Gebr. Kemper GmbH + Co. KG
Bilder: Gebr. Kemper GmbH + Co. KG

www.kemper-olpe.de