IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 06/2005, Seite 110 ff.

ISH 2005 - VON A - Z
T wie Trinkwassererwärmung

 

Dürfen’s 1000 l mehr sein?

Detlev Rohm*

Die Größenbestimmung von Trinkwassererwärmungsanlagen ist für viele Fachleute ein eher "unangenehmes" Thema. Unangenehm deshalb, weil es in der Vergangenheit in vielen Bildungseinrichtungen vernachlässigt wurde. Daraus resultiert eine große Unsicherheit von Planern, Heizungs- und Sanitärfachleuten, die in vielen Anlagen dazu führt, dass der beliebte "Sicherheitszuschlag" zur Anwendung kommt. Die damit herbeigeführte Überdimensionierung ist aus Kosten- und aus Hygienegründen abzulehnen. Der Titel ist demzufolge auch ironisch gemeint, und die Antwort darauf sollte in jedem Fall lauten: Nein! Der folgende Fachbeitrag soll Hinweise aus der Praxis geben, und Möglichkeiten aufzeigen, wie man die Aufgabenstellung "Speicherdimensionierung" für größere Anlagen fachgerecht lösen kann. Unabhängig von diesem Artikel wird das Thema Trinkwasser ein zentrales Thema auf der ISH in Frankfurt spielen, etwa im Bereich der Hygiene, Stagnation oder der verwendeten Materialien.

Vorgehensweise

Dem Unerfahrenen fällt es oft schwer, bei Auftragserteilung zu entscheiden, welche Angaben für die jeweilige Größenbestimmung einer Trinkwassererwärmungsanlage überhaupt benötigt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass der Auftraggeber auch häufig nicht alle Daten abzuschätzen oder vorherzusagen vermag, die seine Anlage erfüllen soll. Für solche Fälle gibt es in einigen Planungsunterlagen Fragebögen, die die erforderlichen Angaben in Abhängigkeit des Anlagentyps abfragen. Für die verschiedenen Anlagen sind ja nicht alle möglichen Angaben nötig: z.B. benötigt man für die Dimensionierung einer Trinkwassererwärmungsanlage für ein Schwimmbad keine "Anzahl der Wohnungen".

Grundsätzlich läuft jede Größenbestimmung einer Trinkwassererwärmungs-Anlage nach folgendem Schema ab:

Sammlung der anlagenrelevanten Angaben

Diese Aufgabe ist eine der wichtigsten im gesamten Prozess. Daher ist es unerlässlich, dass ganz eng mit dem Auftraggeber zusammengearbeitet wird. Denn er ist der einzige, der - zumindest annähernd - weiß, welche Anforderungen die Warmwasseranlage erfüllen muss. Es ist sehr wichtig, dass sich der Auftragnehmer die endgültige Zusammenstellung aller Daten vom Auftraggeber schriftlich bestätigen lässt. So kann späteren Missverständen vorgebeugt werden.

Unter diesem Punkt wird die Sammlung aller Informationen verstanden, die für eine Größenbestimmung benötigt werden. Tabelle 1 stellt eine Übersicht dar, welche Angaben für den jeweiligen Anlagentyp überhaupt benötigt werden, welche real bekannt sein müssen (R) und welche man "sich leisten kann", mit hinreichender Sicherheit abzuschätzen (S) bzw. welche man auch aus Tabellen entnehmen kann (T). Nicht unerwähnt darf an dieser Stelle bleiben, auch nach Besonderheiten zu fragen, die z.T. einen großen Einfluss auf das Endergebnis haben können. Einige dieser Besonderheiten sind:

Diskrepanzen zwischen Planung und Ausführung können nur bis zu einem gewissen Grad toleriert werden. Was allerdings nicht passieren darf ist, dass z.B. eine 140-l-Wanne eingeplant wird und eine Großraumwanne zum Einsatz kommt, oder der Bauherr entscheidet sich für die Dusche von einer normalen Handbrause zu einem "Duschtower" um. Solche Fälle führen unweigerlich nicht nur zu einer Fehldimensionierung der Trinkwassererwärmungsanlage, sondern auch der Rohrleitungen.

Auswahlverfahren zur Größenbestimmung

Wenn eine Anlage zur Trinkwassererwärmung in Auftrag gegeben wird, liegt in den meisten Fällen das Verfahren für die Größenbestimmung fest (Tabelle 2).

Idealerweise würde für jedes mögliche Verfahren eine entsprechende DIN-Norm zur Verfügung stehen, die man im Bedarfsfall anwendet. Leider ist dem nicht so. Es gibt für die Größenbestimmung nur eine Norm, die ein komplettes Verfahren vorgibt: DIN 4708 für die Berechnung der Bedarfskennzahl "N" für gemischt belegte Wohnungen und die Bestimmung der Leistungskennzahl "NL". Darüber hinaus liefern die VDI 2089 einige Angaben für Schwimmbäder und die DIN 18032 (Turnhallen) Teil 11 (sanitäre Anlagen) ebenfalls einige Angaben. Darüber hinaus haben VDI, DVGW und einige Hersteller von Speichern Planungshilfen geschaffen. Hier ein Auszug:

Dimensionierung nach DIN 4708

Die DIN 4708 bildet die Grundlage, den Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung in gemischt belegten Wohnungen zu ermitteln. Gebäude mit einer gemischten Belegung werden von Personen bewohnt, die unterschiedlichen Berufen nachgehen, einen jeweils anderen Tagesablauf haben und dadurch zu verschiedenen Zeiten warmes Wasser benötigen. Dies hat eine lange Bedarfsperiode mit relativ kleinen Bedarfsspitzen zur Folge. Werkswohnungen, Hotels, Studenten- oder Altenwohnheime und andere wohnungsähnliche Gebäude fallen nicht in den Geltungsbereich der DIN 4708.

Im Teil 2 der DIN 4708 wird das Verfahren zur Ermittlung der Bedarfskennzahl "N" beschrieben. Dazu kann z.B. ein Formblatt verwendet werden (Bild 1). Die Speicherauswahl erfolgt so, dass aus den Unterlagen der Hersteller ein Speicher gewählt wird, dessen Leistungskennzahl "NL" mindestens so groß ist wie die ermittelte Bedarfskennzahl "N".

Bild 1: Formblatt zur Berechnung der Bedarfskennzahl "N".

Auslegungsverfahren für wohnungsähnliche Gebäude

Wohnungsähnliche Gebäude haben eine wesentlich höhere Gleichzeitigkeit für Warmwasser als normale Wohnhäuser. Deshalb darf das Verfahren nach DIN 4708 nicht ohne Veränderung verwendet werden. Bei einem von Buderus entwickelten Verfahren wird im ersten Schritt so getan, als sollte für ein ganz normales Wohnhaus die Kennzahl berechnet werden. Im zweiten Schritt wird diese vorläufige Kennzahl mit einem größenabhängigen Korrekturfaktor multipliziert. Daraus ergibt sich die endgültige Kennzahl. Mit dem Dimensionierungsprogramm "DiWa" geht es sogar noch einfacher.

Dauerleistungsdiagramme

Dauerleistungsdiagramme machen Aussagen zu einem stationären Zustand eines Speichers. Diese Momentaufnahme entspricht dem Zustand wie in einem Durchlauferhitzer: Es wird genau die Wärmemenge als erwärmtes Warmwasser entnommen, die als Heizwärme zugeführt wird. Im folgenden Beispiel (Bild 2) sei die Heizwassermenge, der Druckverlust des Glattrohrwärmetauschers und die heizwasserseitige Temperaturdifferenz eines vorgegebenen Speichers gesucht. Gegeben sind (rot markierte Werte):

Bild 2: Dauerleistungsdiagramm.

Es ist abzulesen (grün markierte Werte):

Es sind immer mindestens 3 Angaben nötig, um die fehlenden zu ermitteln. Ausgehend von dem Dauerleistungswert wird eine waagerechte Linie bis zu der Warmwasseraustrittstemperaturkurve (hier 45°C) des infrage kommenden Vorlauftemperaturfeldes (hier 90°C) gezogen. Wird eine Druckverlustlinie getroffen, sind Druckverlust und Heizwassermenge direkt ablesbar. Im anderen Fall ist der Zwischenwert abzuschätzen. Senkrecht unter dem Schnittpunkt ist die heizwasserseitige Temperaturdifferenz ablesbar.

Vollständige Bevorratung

Mitunter kommt es vor, dass die Nutzer innerhalb weniger Minuten alle Entnahmen durchgeführt haben. In diesen Fällen hat sich die vollständige Bevorratung des warmen Brauchwassers bewährt. Für die Dimensionierung des Speichers ist es notwendig, die durchschnittliche spezifische Entnahmeleistung zu kennen. Unter Berücksichtigung der Nutzeranzahl und einer möglichen Reduzierung der Speicherkapazität (durch Auskühlung und Vermischung) von maximal 10% lässt sich leicht die Speichergröße ermitteln. Diese 10% führen zwar zu einer rechnerischen Erhöhung der Speicherkapazität, aber nicht automatisch zu einem größeren Speicher.

Beispiel: 20 Nutzer à 2 kWh ergibt eine Speicherkapazität von 40 kWh und damit 688 l Speichervolumen. Gewählt würde ein 750-l-Speicher, weil es keinen 688-l-Speicher gibt. Die Vergrößerung um 10% ergibt 44 kWh Speicherkapazität, und damit einen 750-l-Speicher.

Größenbestimmung für Schwimmbäder

Die VDI 2089 gibt eine Duschenanzahl in Abhängigkeit der Schwimmbeckenoberfläche an. Mithilfe des Nomogrammes in Bild 3 aus der Buderus Planungsunterlage "Größenbestimmung und Auswahl von Speicher-Wassererwärmern" kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen Durchsätzen, Zapfzeiten und Bevorratungsvorgaben die Speichergröße und die Anschlussleistung ermittelt werden. Das Beispiel zeigt die Größenbestimmung für ein Schwimmbad mit 600 m2 Beckenoberfläche.

Bild 3: Nomogramm zur Größenbestimmung einer Trinkwassererwärmungsanlage für ein Schwimmbad.

Summenlinienverfahren

Das Summenlinienverfahren wird auch Wärmeschaubild genannt. Hierbei wird der Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung grafisch dargestellt. Das ist hilfreich bei komplexen Bedarfsprofilen, wenn der Warmwasserbedarf über einen längeren Zeitraum sehr unterschiedlich ist und die Anforderungen nach Warmwasser sich zeitlich überschneiden. Das Summenlinienverfahren ist die Basis des Dimensionierungsprogrammes "DiWa".

Bild 4: Darstellung eines einfachen Bedarfsprofils nach dem Summenlinienverfahren.

In dem folgenden Beispiel (Bild 4) wurde ein einfaches Bedarfsprofil (schwarze Linie) mit nur 2 Entnahmen (jeweils steigender Verlauf) gewählt. Das Ergebnis der Größenbestimmung ist die Speicherkapazität Sp (und damit auch das Speichervolumen) und die Beheizungsleistung H (blaue "Kesselleistungslinie"). Im Dimensionierungsprogramm "DiWa" ist die Farben für das Bedarfsprofil blau, und für die Kesselleistung rot.

Regelungseinrichtung auswählen/berücksichtigen

Zur Auswahl der Regelungseinrichtung sind die folgenden Fragen zu klären:

Darüber hinaus haben einige dieser Punkte auch Einfluss auf die Speichergröße: Ein Rücklauftemperaturbegrenzer reduziert in der Regel die Übertragungsleistung, d.h. ein größeres Speichervolumen kann erforderlich sein. Wenn der Kessel im Sommer außer Betrieb bleiben soll, wird eine Elektro-Zusatzheizung vorgesehen. Dies bedingt möglicherweise ebenfalls ein erhöhtes Speichervolumen, da besonders bei größeren Anlagen die Kesselleistung erheblich über dem Anschlusswert der Elektro-Zusatzheizung liegen wird. Auch die Frage Speichersystem oder Speicherladesystem hat einen Einfluss auf die Speichergröße. Üblicherweise benötigen Speicherladesysteme kleinere Volumina als Speichersysteme.

Auslegung der Trinkwassererwärmungsanlage mit Speichergröße und Aufheizleistung

Für eine erste gute Abschätzung der Anlagengröße kann die Tabelle 3 mit Faustwerten für unterschiedliche Anlagentypen verwendet werden. Hierbei wurde versucht, auf anlagenspezifische Angaben zurückzugreifen, die im Vorfeld schon bekannt sind (z.B. die Grundfläche in einem Fitness-Center).

Komponenten auswählen

Nun wird der geeignete Speicher gewählt werden. In der Praxis wird es häufig so aussehen, dass mit Unterlagen mehrerer Hersteller gearbeitet wird.

Dimensionieren mit der Buderus-Software "DiWa"

Das EDV-Programm "DiWa" (Dimensionierung Warmwasser) wurde von Buderus aufgrund von Überlegungen und praktischen Versuchen auf dem werkseigenen Prüfstand entwickelt. Es wird zur Berechnung und Optimierung der energetischen Zusammenhänge angewendet. Mit nur fünf Eingabefenstern können annähernd alle Bedarfsfälle abgedeckt werden. Es können Speicherdimensionierungen für Wohngebäude nach DIN 4708 genauso berechnet werden wie für wohnungsähnliche Gebäude (Hotels, Altenheime usw.). Mit dem im Programm integrierten Summenlinienverfahren bzw. dem Wärmeschaubild lassen sich für schwankende Verbräuche viele weitere Anwendungsfälle bearbeiten.

Für Berechnungen mit einfachen Entnahmeprofilen (z.B. Spitzenzapfungen für ein Sportlerheim) ist ein Berechnungsgang vorgesehen, wie auch für den Dauerleistungsfall (gleichmäßige Entnahme mit unveränderter Temperatur = Durchlaufprinzip). Die Darstellung erfolgt in der Weise (Bilder 8 und 9), dass die eingegebenen Werte zu einer Summenlinie zusammengefasst und als blaue Linie dargestellt werden. Die Beheizungsleistung "Kesselleistungslinie" wird als rote Linie eingearbeitet. Auf der Senkrechten sind die kumulierten Verbräuche in kWh und auf der Waagerechten ist die Zeit aufgetragen.

Der erste Vorschlag für eine Speichergröße (Bild 8) für ein Speichersystem liegt bei 2/3 des gesamten Bedarfes. Deshalb ist es möglich und meistens sinnvoll, eine oder mehrere Korrekturen nach unten durchzuführen. Darüber hinaus kann per Mausklick beliebig oft die Berechnung zwischen Speichersystem und Speicherladesystem gewechselt werden. Außerdem werden auf Wunsch zum Ergebnis die Speicher sowie bei den Speicherladesystemen auch diese ausgewählt.

Das folgende Beispiel zeigt die Anwendung für eine Schwimmbadanlage.

Gegeben:

Die (verkürzte) Tabelle 4 zeigt die vorhandenen Verbraucher mit ihrem "Verbrauchszeitplan" für ein komplexes Beispiel. Dies ist zwar die von "DiWa" aufbereitete Darstellung, aber es macht Sinn, sich eine solche Darstellung vorzubereiten, bevor man mit der Eingabe beginnt. Bei dem Beispiel fällt auf, dass sich einige Bedarfe überschneiden, was die Berechnung "zu Fuß‘" ungemein erschwert.

Bild 5: Eingabefenster für "DiWa".

Bearbeitung: Als erstes wird aus den 5 angebotenen Eingabefenstern (Bild 5) für dieses Beispiel "komplexe Bedarfsvorgaben" ausgewählt. Anschließend werden alle Verbraucher mit ihren spezifischen Werten eingegeben (Bild 6, in diesem Beispiel sind es sechs verschiedene; nur die Normalbrause "BRN" aus der rechten Tabelle ist beispielhaft gezeigt). Es können maximal zwölf unterschiedliche Verbraucher eingegeben werden, deren Werte entweder den Tabellen auf der rechten Seite zu entnehmen sind, oder die man individuell festlegen kann.

Bild 6: Eingabefenster für die Verbraucher.

 

Nachdem alle Verbraucher mit ihren Werten eingegeben sind, erscheint eine Übersicht, wie in Tabelle 5 dargestellt. Hier ist einzutragen, zu welcher Zeit welche Verbraucher in welcher Anzahl genutzt werden sollen. Das Programm verhindert, dass versehentlich mehr Verbraucher eingegeben werden als tatsächlich vorhanden sind.

Bild 7: Lösung des Beispiels als Speichersystem.

Wenn die Übersicht nach Tabelle 5 ausgefüllt ist, wird mit einem Klick auf "Summe" die Summenlinie berechnet und ein Vorschlag für Beheizungsleistung, Speicherinhalt und System gemacht. Jetzt kann man die Anlage optimieren. Bild 7 zeigt eine Lösung für das Speichersystem. Mit einem Klick auf "Speicherladesystem" wird die Anlage sofort umgerechnet (Bild 8). Für die Variante Speichersystem ergibt sich ein Speichervolumen von 3505 l, und für die Variante Speicherladesystem ein Speichervolumen von 2000 l.

Bild 8: Lösung des Beispiels als Speicherladesystem.

Es fällt auf, dass die Variante Speicherladesystem mit fast gleicher Leistung aber mit fast dem halben Speichervolumen auskommt. Allerdings müssen die ca. 160 kW Beheizungsleistung als Zuschlag bei der Kesseldimensionierung berücksichtigt werden. Im Anschluss kann durch einen Klick auf das Speichersymbol die gesamte Speicheranlage mit ihren Komponenten ausgewählt werden.

Fazit

Die sorgfältige Größenbestimmung einer Trinkwassererwärmungsanlage ist, gerade bei Großanlagen, eine sehr aufwendige Arbeit. Nicht nur das Sammeln und Zusammenstellen der Daten dauert lange, sondern die eigentliche Berechnung kann noch aufwendiger sein, wie das obige Beispiel zeigt.

Ziel jeder Größenbestimmung von Trinkwassererwärmungsanlagen muss es sein, die Anlage "so klein wie möglich aber so groß wie nötig" zu planen. Nur mit einer solchen Anlage werden der Nutzer in Bezug auf seine täglichen Entnahmen und der Betreiber in Bezug auf die Anlagenkosten zufrieden sein. Dafür geeignete Hilfsmittel, wie z.B. Computerprogramme, sind für solche Berechnungen von großem Nutzen. Dabei wiederum hat es sich bewährt, eine grobe Abschätzung zu machen, und damit das Ergebnis in etwa vorauszusagen. Etwaige Eingabefehler werden so erkannt. Anhand der Tabellen in dieser Ausarbeitung sollte eine solche Abschätzung zukünftig leicht fallen.

Link zur Tabelle 1 als PDF: "Real vorhandene und abschätzbare Angaben für die Größenbestimmung."
Link zur Tabelle 2 als PDF: "Übersicht der Verfahren in Abhängigkeit des Anlagentyps."
Link zur Tabelle 3 als PDF: "Faustwerte für eine überschlägige Größenbestimmung."

B i l d e r :  BBT Thermotechnik GmbH (Buderus)

* Detlev Rohm, Internationaler Produktmanager Speicher, BBT Thermotechnik GmbH (Buderus), Wetzlar

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