Wirtschaftliche Trinkwassererwärmung mit Kompaktstationen

Eine Kompaktstation mit integrierter, geregelter Strahlpumpe ist ein komfortables, wirtschaftliches System zur Trinkwassererwärmung und lässt sich universell einsetzen für alle Wärmeleistungsbereiche von ca. 5 kW bis 1500 kW. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Kompaktstation in einem Privathaushalt, in einer Schule, in einem Industriebetrieb, in einer Sport­einrichtung oder in einem Krankenhaus zum Einsatz kommt. Sie ist für jede moderne Wärmeerzeugung mittels Solaranlagen, Holzheizungen, Wärmepumpen oder Blockheizkraftwerken (BHKW) sowie Fernheizkraftwerken gleichermaßen geeignet. Ihr einfacher Aufbau und die kompakte Bauweise sorgen für einen anwenderfreundlichen Einbau, da sie anschlussfertig auf einem Stahlrahmen montiert und fertig verdrahtet ist. Ein solches Modul arbeitet nach dem Prinzip des Durchlauferhitzers.

Funktion der Kompaktstation
Da die Kompaktstation für die Trinkwassererwärmung nach dem Durchflussprinzip funktioniert, steht das erwärmte Wasser wegen sehr schneller Regelantriebe verzögerungsarm beim Öffnen der Zapfstelle zur Verfügung. Dadurch lassen sich Wärmeverluste in der Anlage deutlich reduzieren. Erwähnenswert ist an dieser Stelle, dass nach dem Schließen und erneuten Öffnen keine Verbrühungsgefahr besteht.
Untersuchungen haben ergeben, dass sich der Wärmeverlust einer Trinkwasserzirkulationsleitung in Zeiten, in denen kein Trinkwasser gezapft wird (z.B. nachts), auf max. 5% der Heizleistung beschränkt. Bei 100 kW sind das nur ca. 5 kW Verlust, die „nachzuheizen“ wären.
Die Beimischregelung mittels geregelter Strahlpumpe sorgt für eine bessere Regelgüte im unteren Lastbereich (ca. 0 – 3% Hub) als beim konventionellen System mit Drosselregelung und ist energiesparender. Die Kompaktstation für die Trinkwassererwärmung ist zwar ein Durchlauferhitzer, ist aber auch mit einem Speicherladesys­tem kombinierbar. Normalerweise ist ein zusätzlicher Speicher nicht notwendig, da das Rohrleitungssystem größerer Gebäude bereits den Speicher darstellt. Bei beiden Speicherarten bringt jeweils eine Zirkulationspumpe auf der Sekundärseite das warme Wasser zeitnah zur Zapfstelle.
Die gleichzeitige Anwendung für Heizung und Trinkwasser ist ebenfalls möglich, da entsprechende Kompaktstationen mit ein, zwei oder drei Strahlpumpen zur Verfügung stehen. Aber auch für den kleinen Leistungsbereich (Reihenhäuser, Einzelwohnungen) sind Kompaktstationen entwickelt worden. Angeschlossen an die Heizungsleitung finden sie als kleines, optisch ansprechend verkleidetes Gerät in jedem Haushalt Platz, z.B. an der Wand in der Küche.

Alle Kompaktstationen brauchen weder eine Pumpe auf der Primär- noch Sekundärseite. Ihre Standardausführung hat zwei Regelkreise: Einen für die Trinkwassererwärmung mittels Durchlauferhitzer bis ca. 34 kW und einen zweiten für die Heizung mit 5–10 kW.

Funktion der Strahlpumpe
Strahlpumpen sorgen für eine optimale Wärmeverteilung bei der Trinkwassererwärmung und regeln je nach Bedarf außerdem Heizung, Kühlung und Lüftung. Für die Kühlung werden Strahlpumpen hauptsächlich auf der Primärseite und gelegentlich auf der Sekundärseite eingesetzt. Beispiele der Anwendung sind Kühldecken und Kühlböden. Sie kommen als Muffen- oder Flanschen-Version zum Einsatz. Die Einspeisung der Wärme erfolgt direkt oder indirekt über Plattenwärmetauscher. Die gewünschte Wärmemenge lässt sich mithilfe der Strahlpumpe, die auch Jetpumpe, Injektorventil oder Dreiwegeinjektorventil heißt, präzise regeln.
Auf der Abnehmerseite ergibt sich die verlangte Temperatur durch eine Mischregelung (anstelle einer Drosselregelung). Denn die Leistung von Strahlpumpen ist mit einem hubverstellbaren Düsenkegel innerhalb der Treibdüse veränderbar. Der Stellantrieb für die Strahlpumpe arbeitet mit einem Elektromotor, kann aber auch pneumatisch sein.
Nach der Düse zieht der energiegeladene Treibstrahl das Beimischwasser aus dem Rücklauf in das Mischrohr, wo sich beide Ströme vermischen. Über die Hubverstellung des Düsenkegels und den damit veränderbaren Düsenquerschnitt stellt sich dort die gewünschte Vorlauftemperatur ein. Die Druckenergie des Treibstrahls wandelt sich um in kinetische Energie. Diese Energie genügt, um das Mischwasser im Heizkreis, ohne zusätzliche Umwälzpumpe, zirkulieren zu lassen. Der Regelbereich, den eine Strahlpumpe abdeckt, ist außergewöhnlich groß. Er liegt in den meisten Fällen zwischen 0 und 100%.
Die Lebensdauer einer Strahlpumpe ist nach VDI 2067 auf 20 Jahre angesetzt. Zusätzlich reduzieren sich Wartungs- und Instandhaltungsaufwand, denn es entfallen mehrere Module wie z.B. Dreiwegeventile, Umwälzpumpen, Steuerungen im Schaltschrank sowie Armaturen.

Trinkwassererwärmung mit Kompaktstation
Die beschriebenen Kompaktstationen verbessern die Regelung von Wärme­übertragern in Anlagen für die Trinkwassererwärmung im Vergleich zum konventionellen System (Drosselregelung mit Durchgangsventil) entscheidend. Das gelingt mithilfe der Strahlpumpe, die gleichzeitig ein Regelventil ist.
Die Beimischregelung mit Jetpumpe mischt die Primärvorlauftemperatur von z.B. 125°C mithilfe von Rücklaufbeimischung auf z.B. 65°C vor dem Wärmeübertrager herunter. Als „Verkalkungsschutz“ überwacht und begrenzt ein Regelfühler die Heizmitteltemperatur. Hohe Vorlauftemperaturen wie bei der Drosselregelung, die zur Verkalkung des Plattenwärmetauschers führen würden, treten so nicht auf. Und die sonst häufig auftretenden thermischen Spannungen im Wärmeübertrager, die einen höheren Verschleiß verursachen, sind reduziert.
Die Kompaktstation wälzt bei gleicher Wärmeleistung durch die Beimischung wesentlich mehr Wasser um, was die Wärmeübertragung durch die höhere Wassergeschwindigkeit und damit die Regelgüte verbessert. Der Primärwasserdurchsatz ist im gesamten Leistungsbereich höher und die Rücklauftemperatur niedriger als bei der konventionellen Ausführung mit Drosselschaltung. Es entsteht so eine gleichmäßigere Temperaturverteilung. Ihr einfacher Aufbau garantiert eine wartungsarme Betriebsweise.

Trinkwassererwärmung mit konventioneller Ausführung
Viele Plattenwärmetauscher und Rohrbündelübertrager werden heute noch durch Drosselschaltung mit Durchgangsventil geregelt, meistens mit einem zusätzlichen Differenzdruckregler. Bei dieser konventionellen Ausführung ist die Eintrittstemperatur in den Wärmeübertrager immer gleich der Primärvorlauftemperatur im Versorgungsnetz. Eine hohe primäre Eintrittstemperatur führt aber bei der Trinkwassererwärmung fast immer zu Verkalkung. Die Folge ist eine schlechtere Wärmeübertragung und damit auch eine höhere Rücklauftemperatur und letztendlich häufig ein Totalausfall der Anlage.
Die Regelung der Wärmeleistung erfolgt bei der konventionellen Ausführung durch die Änderung des Massenstroms zum Wärmeübertrager, abhängig vom Leistungsbedarf auf der Verbraucherseite. Die ausschließliche Regelung der Wärmeleistung über die Massenstromänderung bewirkt im Teillastbetrieb eine große Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt auf der Primärseite. Solche Temperaturdifferenzen erzeugen jedoch dehnungsinduzierte Spannungen und sind häufig Ursache für Schäden in Wärmeübertragern. Darüber hinaus bewirkt eine geringe Wassermenge im Teillastbetrieb einen schlechten Wärmeübergang im Wärmeübertrager.
Regelungstechnisch treten mit dieser Schaltung Schwierigkeiten beim Nachheizen auf, wenn Wärmeverluste auszugleichen sind, die in Zeiten ohne Zapfen entstehen, z.B. nachts. Dann arbeitet nämlich die Zirkulationspumpe weiter, und das Regelventil muss den Wärmeverlust ausregeln. Das Durchgangsregelventil arbeitet so im unteren Lastbetrieb, bei dem nur die Möglichkeit besteht, auf- oder zuzufahren. Es besteht so die Gefahr einer Übertemperatur am Plattenwärmetauscher und damit eines Ausfalls der Anlage.

Bei konventioneller Ausführung könnte das Problem mit Dreiwegeventil und Umwälzpumpe gelöst werden. Die Strahlpumpe hat jedoch den Vorteil, dass man auf der Primärseite gerade keine elektrische Umwälzpumpe benötigt.

Trinkwasserhygiene
Nicht zuletzt ist auch die Trinkwasserhygiene mit der beschriebenen Kompaktstation gesichert. Das Modul arbeitet nach dem Durchflussprinzip ohne Speicher. Legionellen vermehren sich jedoch bevorzugt in stehendem Wasser bei 20–55°C. Die Regelung mit der Strahlpumpe jedoch hält eine Trinkwassertemperatur von z.B. 61°C ein, sodass Legionellen keine Temperaturbedingungen vorfinden, bei denen sie überleben könnten. Die sehr genaue Einhaltung der Wassertemperatur durch die Beimischregelung verhindert darüber hinaus Kalkabscheidungen und Schmutzablagerungen und schließt auch die Gefahr von Verbrühungen aus.

Fazit
Die Beimischregelung durch den Einsatz von Strahlpumpen auf der Primärseite der Wärmeübertrager – egal ob bei gro­ßen oder kleinen Modulen, egal für welchen Wärmeleistungsbereich – stellt eine ganz entscheidende Verbesserung gegenüber den konventionellen Schaltungen, wie z.B. der Drosselschaltung dar. Aus ihr ergeben sich die folgenden Vorteile:

• gute Regelbarkeit im gesamten Leis­tungsbereich (0-100%),
• weniger dehnungsinduzierte (thermische) Spannungen am Plattenwärmetauscher,
• tiefere Rücklauftemperaturen auf der Versorgungsseite,
• geringere Verkalkung der Sekundärseite im Trinkwassersystem,
• geringere Differenzdruckschwankungen an den Primäranschlüssen des Wärmeübertragers,
• geringere Verkeimungsgefahr mit Legionellen,
• Verringerung von Investitionskosten und Senkung von Wartungs- und Instandhaltungskosten der Anlage,
• Verlängerung der Lebensdauer der Gesamtanlage.

Die guten Erfahrungen in Tausenden von Anlagen mit Strahlpumpenregelung belegen die zahlreichen Vorteile der Kompaktstationen mit regelbaren Strahlpumpen.

Beispielanlage 1
Hier handelt es sich um eine Fernwärmestation (ca. 250 kW) für einen Plattenbau mit 128 Wohneinheiten in Berlin aus dem Jahr 1983. Sein beheiztes Volumen beträgt rund 32.300 m³. Der Eigentümer hatte sich entschlossen, anstelle der veralteten, störanfälligen Technik eine neue Station installieren zu lassen. Seit Ende 2009 versorgt sie das Gebäude störungsfrei mit Wärme für Heizung und Trinkwasser. Die Vorteile der neuen Fernwärmestation lassen sich so zusammenfassen:

• niedrigere Energiekosten für Wärme (reduzierter Verbrauch durch hohen Wirkungsgrad),
• reduzierte Hilfsenergiekosten (Betriebsstrom) durch Wegfall beider Umwälzpumpen,
• reduzierte Wartungskosten durch Wegfall des Trinkwasserspeichers,
• geringe Störanfälligkeit durch vereinfachten Anlagenaufbau,
• lange Lebenserwartung der Anlage,
• Verhinderung von Legionellenwachstum durch Warmwasserbereitung im Durchflusssystem,
• keine störenden Geräusche an Thermos­tatventilen durch Anpassung der Wassermenge an den Heizbedarf.

Beispielanlage 2
Eine Station zur Trinkwassererwärmung für einen Wohnkomplex von rund 50 Wohneinheiten mit einem Wärmeleis­tungsbereich von 250 kW.

Beispielanlage 3
Eine Station zur Trinkwassererwärmung mit einem Leistungsbereich von ca. 55 kW für einen Wohnungskomplex mit rund 10 Wohneinheiten.

Literatur:
[1] Hesselbacher, H.: Die Wirtschaftlichkeit von Strahlpumpen in Heizungsanlagen. Haustechnische Rundschau (1976) 5/6, S. 226-231.
Bälz, U.: Praktischer Einsatz von Heizungs- und Lüftungsanlagen. Gesundheits-Ingenieur – Haustechnik – Bauphysik – Umwelttechnik 127 (2006)
Nr. 2.
Hesselbacher, H.: Umwälzpumpe ade. Chemie Technik (2000), S. 188-189.
Kilpper R.: Geregelte Strahlpumpen in der Gebäudetechnik. Moderne
Gebäudetechnik (2010) 1-2, S. 26-28.
Bälz U., Kilpper R.: Heizungssanierung mit regelbaren Strahlpumpen. ­Moderne Gebäudetechnik (2010) 7-8, S. 10-13.

Autoren:
Dr. Renate Kilpper und Prof. Dr. Uwe Bälz, W. Bälz & Sohn GmbH & Co, Heilbronn

Bilder: Bälz

www.baelz.de