Warmwasserbereitung mit Strom aus EE - Selbstversorgung mit elektrischer Energie für die Haustechnik

Um die dafür notwendigen tatsächlichen Leistungspotenziale der elektrischen Trinkwassererwärmung bereits im Vorfeld der Planung zielorientiert abschätzen zu können, ist ein genaues Nutzerprofil gemäß den objektspezifischen Anforderungen notwendig. Dabei ist die erste wesentliche Unterscheidung hinsichtlich der Nutzung des Gebäudes zu treffen, um erste Profilkennwerte ermitteln zu können. Während in Nichtwohngebäuden wie beispielsweise Büro- und Verwaltungsgebäuden, Schulen, Kindertagesstätten, Geschäfts- und Verkaufsräumen usw. der Trinkwarmwasserbedarf sehr überschaubar ist, lässt sich in Wohngebäuden ein ungleich komplexeres Anforderungsprofil entdecken, das sich nicht nur deutlich in der Menge, sondern auch in zeitlichen Intervallen und Bereitstellungsgraden zu erkennen gibt.
Tabelle 1 gibt zur Erstellung eines Nutzerprofils eine Orientierung. Jeder Menge ist ein entsprechender Nutzungsfaktor im Verhältnis eines Zeitraumes (Tagesprofil, Wochenprofil, usw.) zugeordnet. Die Ausgangsbasis für den Energieaufwand bildet eine Kaltwassertemperatur von gemittelten 10°C. Gemäß Trinkwasserverordnung ist Trink-Kaltwasser in einem Temperaturbereich von 8 – 12°C als solches definiert. Entsprechend der gewünschten Entnahmetemperatur ergibt sich eine Temperaturdifferenz (T) von 40 Kelvin bei einer Entnahmetemperatur von 50°C für die Warmwasserbereitstellung.

Unterscheidungen der elektrischen Trinkwarmwasserbereitung
Die elektrische Trinkwassererwärmung bietet konventionell drei verschiedene Möglichkeiten:

• Elektrische Durchlauferhitzer (Frischwassererwärmung),
• Elektrische Boiler (Warmwasserbevorratung),
• Split-Warmwasser-Wärmepumpe (Frischwassererwärmung),
• Speicher-Warmwasser-Wärmepumpe (Warmwasserbevorratung).

Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit einer direkten Erwärmung des Heizungspufferspeichers oder eines bivalenten Warmwasserspeichers, um mit sehr geringem technischen Aufwand das Wasser als Speichermedium zu verwenden. Die ungleich ökologischere und ökonomischere Variante der Stromspeicherung findet in der Kombination einer wassergeführten Zentralheizung statt.
Mittels eines Trinkwarmwasserspeichers, oder besser eines Heizungspufferspeichers, wird die elektrische Energie zuerst in Wärme umgewandelt, um sie dann ungleich nachhaltiger als Wärmeenergie bereitzustellen.
Allerdings ist es nicht allein damit getan, an irgendeiner Stelle einen Elektro-Heizstab wie ein Schwert in den Pufferspeicher zu rammen. Die Temperaturzone, -schichtung, die Volumina und nicht zuletzt der berühmte Komfortanspruch sind wesentliche Parameter zur thermischen Beladung eines Heizungspufferspeichers: auch für Strom. Es werden an dieser Stelle vollkommen neue Arten von Pufferspeicher entstehen, will man den Sonnenstrom wirklich effizient nutzen.

Trinkwasserhygiene durch Frischwassertechnik
Was bei all diesen Betrachtungen keinesfalls unbeachtet bleiben darf sind die hygienischen Anforderungen an das
Trink-Warmwasser. In den letzten Jahren hat sich nicht nur der höheren Effizienz wegen, sondern umso mehr hinsichtlich der hygienischen Anforderungen zur Vermeidung von Legionellen und andern mikrobiologischen Gefahren die Frischwassertechnik durchgesetzt. Die Frischwassertechnik ermöglicht mittels eines Pufferspeichers als thermischer Akku die Bereitstellung von frischem Trink-Warmwasser, wenn dieses benötigt wird und verzichtet somit auf eine Bevorratung von warmem Trinkwasser. Für diesen Wärmeübertragungsprozess ist auch elektrische Energie nötig (wie so oft in der Haustechnik). Allerdings handelt es sich nur um den Strombedarf einer Heizungs-Umwälzpumpe mit einer Leistung von maximal 30 W in einem Einfamilienhaus. Der Zeitraum betrifft nur die Zeit der Warmwasserentnahme. Bei Zirkulationspumpen in der Trink-Warmwasserleitung sind allerdings ungleich längere Betriebsintervalle, bei allerdings noch geringerem Strombedarf, notwendig. Eine mit Solarstrom betriebene Zirkulationspumpe ist im Sinne des Wassers herzlich willkommen und fördert durch kontrolliertes Vermeiden von Stagnationen im System die Trinkwasserhygiene nachhaltig.

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Elektrische Durchlauferhitzer
Elektrische Durchlauferhitzer erlauben eine bedarfsorientierte Frischwassererwärmung ohne Bevorratung. In dem Moment, wo das Trink-Warmwasser benötigt wird, wird es im Durchlaufprinzip erwärmt. Der Nachteil besteht allerdings bei großen Durchlauferhitzern, die wohnungszentral eine entsprechende Durchflussmenge erlauben, darin, dass sie einen sehr hohen Leistungsbereich von 18 kW und mehr (je nach Ausstattung und Anzahl der Entnahmestellen) einfordern, was mit einem kleinen bis mittleren PV-Generator in der Regel schwer zu realisieren ist, wenn dieser nicht deutlich leistungsstärker als 20 kWp ist und eine optimale Solareinstrahlung vorliegt.
Anders verhält es sich mit Einzelgeräten, wie beispielsweise Kleinst-Durchlauferhitzern, die direkt an Waschtische installiert werden und eine deutlich geringere elektrische Leistung zwischen 1 – 2 kW benötigen. Diese geringere Leistung resultiert aber nicht nur aus technischen Innovationen, sondern auch aus einer ungleich geringeren Schüttleistung als bei einer Dusche oder gar Badewanne. Dementsprechend ist eine „elektrische Frischwassertechnik“ immer mit sehr hohen Leistungen verbunden, die nicht immer durch einen PV-Generator abgedeckt werden kann.

Elektrische Boiler
Elektrische Boiler besitzen den Vorteil, dass sie eine beliebige Menge an Warmwasser bevorraten können und somit eine Option (Alternative zum Pufferspeicher) zur Speicherung von Sonnenstrom bilden. Der Nachteil liegt in der Bevorratung und der entsprechenden Legionellengefahr, die durch Legionellen-Schutzfunktionen unterbunden werden muss. Ab einem Speichervolumen von mehr als 400 l gelten besondere Hygienemaßnahmen für Wartung und Instandhaltung, u.a. Beprobung durch vom Gesundheitsamt zugelassene Unternehmen.
Für Putz- und Reinigungswasser können Boiler völlig unproblematisch eingesetzt werden, auch für Spülen und Handwaschbecken mit einem Volumen bis 5 l als sogenannte Untertischgeräte. Übertischgeräte bietet der Markt von mehr als 5 l bis hin zu 100 l Speichervolumen.
Diese Geräte benötigen kaum mehr als 2 kW Anschlussleistung. Selbst Kochendwassergeräte kommen mit 2 kW aus, um bis zu 5 l Wasser innerhalb kürzester Zeit auf bis zu 100°C zu erhitzen.

Speicher-Warmwasser-Wärmepumpe
Mit einer Speicher-WW-WP kann die gleiche Wärmeleistung wie bei konventionellen Elektro-Boilern erreicht werden, allerdings mit dem wesentlichen Unterschied, dass nur etwa ein Drittel elektrischer Energie benötigt wird. WW-WP benötigen eine elektrische Leistungsaufnahme von weit weniger als 1000 W. Das Speichervolumen reicht von 100 bis 400 l. Die kleinsten Geräte weisen ein Volumen von 100 l auf und unterscheiden sich nur unwesentlich von einem herkömmlichen Elektro-Boiler. Als Abluft-WW-WP können diese auch in einem Lüftungskonzept integriert werden und besondere Anwendung im Mehrgeschoss-Wohnungsbau mit Wohnungen für 2 – 3 Personen finden, wo sie gleichzeitig auch für einen Mindest-Luftwechsel sorgen. D.h. es wird nicht nur das WP-Aggregat, sondern auch der Abluftventilator mit elektrischem Strom aus EE versorgt. Die Außenluftnachführung erfolgt über dezentrale Außenluftdurchlässe (ALD).

Split-Warmwasser-Wärmepumpe
Eine Split-WW-WP ist nicht mit einem Speicher kombiniert, sondern besteht ausschließlich aus dem WP-Aggregat, das über einen Speicherladekreis an einem Pufferspeicher oder Warmwasserspeicher anzuschließen ist. Somit kann eine Split-WP multifunktional eingesetzt werden und – ohne Bevorratung von Warmwasser – einen Heizungspufferspeicher beladen. Dieser kann sodann das Trinkwasser im Durchflussprinzip (extern oder intern) erwärmen und in der gewünschten Temperatur bereitstellen. Split-WW-WP sind auch leistungsstärker als Boiler-WW-WP und können vielseitig – auch zur Kühlung – eingesetzt werden.

Heizungspufferspeicher als Stromspeicher
Selbstredend kann ein Heizungspufferspeicher auch ohne Wärmepumpe elektrische Energie aufnehmen und als Wärmeenergie bereitstellen. Dementsprechend ist ein Heizungspufferspeicher mit einem oder zwei Einsteckheizkörpern auszustatten. Auf entsprechende Anschlüsse für den Einsteck-Heizkörper von beispielsweise 1½“ ist zu achten. Einsteckheizkörper gibt es in verschiedenen Größen von 2 – 9 kW.
Dies erlaubt eine lastspezifische Aufteilung und Kaskadierung je nach Stromangebot mit einer entsprechenden Ladestrategie. Dennoch werden hier wie oben gesagt neue Innovationen folgen.

Anforderung in Nichtwohngebäuden
Bei Nichtwohngebäuden beschränkt sich der Trinkwarmwasserbedarf in der Regel auf Handwaschbecken in Toilettenbereichen, Spülen in Teeküchen und dergleichen sowie für Reinigungs- und Putzwasser. Ausschlaggebend ist die Frequentierung der entsprechenden Entnahmestelle, die objektspezifisch darstellbar ist. Während eine Warmwassermenge von  maximal 0,5 l Warmwasser pro Handwäsche ausreichend ist (man aber durch Sicherheitszuschläge gerne mehr annimmt – siehe Tabelle 1) und diese mit der anzunehmenden Anzahl der Nutzungen für das Tages-, Wochen- und Monatsprofil zu multiplizieren ist, lässt sich für Teeküchen und dergleichen schon ein konkretes Tagesprofil entsprechend der Ausstattung darstellen. Dementsprechend geringer ist der Bedarf an der Spülenarmatur, wenn eine Geschirrspülmaschine vorhanden ist, die den Großteil elektrischer Energie für die Trinkwassererwärmung benötigt und nur einen sehr geringen elektrischen Bedarf für die Automation hat. Ebenso verhält es sich mit dem Putzwasser, dem auch sehr leicht eine Tageslast zu unterstellen ist, die sich nach dem Reinigungsaufwand richtet.

Anforderung  in Wohngebäuden
Die Anforderungen an die Trinkwassererwärmung sind in Wohngebäuden ungleich komplexer, als bei Nichtwohngebäuden. Dies liegt einerseits an der ungleich größeren Menge für die Körperreinigung und -hygiene allein schon im Einfamilienhaus, als auch an den Gleichzeitigkeitsfaktoren und den Spitzenlasten im Mehrgeschosswohnungsbau, wo es ja durchaus vorkommen kann und stets damit zu rechnen ist, dass mehrere Duschen gleichzeitig genutzt werden, wie beispielsweise in den Morgen- oder Abendstunden. Zusätzlich kommen noch große Volumina von Badewannen hinzu.

Fazit solar-elektrische Trinkwassererwärmung
Während in Wohngebäuden zum einen größere Warmwassermengen pro Nutzungseinheit benötigt werden, sind es auch die besonderen Anforderungen hinsichtlich Gleichzeitigkeitsfaktor und Spitzenlast bei Wohngebäuden, die in Nichtwohngebäuden in der Regel ungleich ausgeglichener stattfinden. In den Sommermonaten ist allerdings eine solare Trinkwassererwärmung schon heute ebenso möglich wie im klassischen Sinne solarthermische seit Jahrzehnten.
Entgegen so mancher Wunschvorstellung aber, wird das wassergeführte Zentralheizungssystem – unabhängig vom Tunnelblick des SmartGrid – weiterhin Bestand haben, da allein ein Heizungspufferspeicher ein enormes Potenzial als „Stromspeicher“ besitzt. Und warum sollte sich nicht irgendwann eine Strombatterie im Zentrum eines Heizungspufferspeichers befinden? – Kraft und Wärme werden stets im Tandem die Energieformen der Gebäudetechnik sein, auch wenn der Strom unüberhörbar als Regelenergie propagiert, gefördert und vermarktet wird.

Autor: Frank Hartmann

Bereitstellung von Trinkwarmwasser

• Gleichzeitigkeitsfaktor = Der Gleichzeitigkeitsfaktor bildet eine Auslegungsgrundlage. Das bedeutet beispielsweise bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,7, dass die Schüttleistung bei einer gleichzeitigen Öffnung von 70% aller Warmwasser-Entnahmestellen in Menge und Temperatur sicherzustellen ist.
• Spitzenlast = Die Spitzenlast ist im Grunde der Gleichzeitigkeitsfaktor, der in regelmäßigen, klar definierten Zeitintervallen stattfindet, wie beispielsweise die morgendlichen und abendlichen Spitzenlasten in Badezimmern und Duschbädern im Mehrgeschosswohnungsbau, z.B. von 6.00 Uhr – 8.00 Uhr und 20.00 – 22.00 Uhr.