Bedarfsgerechte Brauchwasserzirkulation Hintergründe und Stand der Technik

Brauchwasser-Zirkulationssysteme mit Umwälzpumpen dienen der komfortablen zentralisierten Warmwasser-Bereitstellung, bringen aber den Nachteil erheblicher Bereitstellungsverluste durch die permanente Wärmeabgabe an das Rohrnetz und den Elektroenergieverbrauch der Pumpe mit sich. Allein hierfür kann der Energieverlust für ein Einfamilienhaus bis zu 1 MWh im Jahr (das sind umgerechnet rund 100 l Heizöl) erreichen. Durch drastische Verkürzung der Pumpenlaufzeit bei bestmöglicher Anpassung der Einschaltzeit der Pumpe an den tatsächlichen Warmwasser-Bedarf können diese Verluste wirksam gesenkt werden.
Programmierbare Zeitschaltuhren lösen dieses Problem nur unzureichend, weil erfahrungsgemäß nur eine bedingte Übereinstimmung zwischen den programmierten Pumpeneinschaltzeiten und den tatsächlichen Bedarfszeiten erzielt wird. Fernsteuerschalter zum manuellen Start der Zirkulation bei Bedarf könnten eine Alternative sein, besitzen wegen der Wartezeit bis zur Erwärmung der Zapfstelle nach der Betätigung aber nur geringe Akzeptanz. Die Trinkwasserhygiene wird in den genannten Lösungen generell nicht gewährleistet.
Von einer bedarfsgerechten Zirkulationssteuerung nach dem Stand der Technik muss erwartet werden, dass sie vollautomatisch und zuverlässig jeden Bedarf erkennt und die Zirkulationspumpe dementsprechend - möglichst vorausschauend - schaltet. Auch besondere Betriebssituationen, wie thermische Desinfektion oder längere Abwesenheit der Nutzer, z.B. Urlaub, müssen erkannt und richtig umgesetzt werden. Ferner sollen für alle diese Funktionen keinerlei Wartungs- oder Einstellarbeiten abverlangt werden.

EINSCHALTEN NACH BEDARF
Um einen Zapfvorgang im Warmwasser-Leitungsnetz zu erkennen, sind in Seriengeräten alternativ die Strömungsanalyse oder die Temperaturanalyse verbreitet. Für die Strömungsanalyse muss ein hydraulisch-mechanischer Geber ähnlich einer Wasseruhr in das Rohrleitungsnetz eingefügt werden. Da dies allgemein im heißen Warmwasser-Vorlauf geschieht, besteht neben dem mechanischen Verschleiß das Problem der Verkalkung dieser Geber. Anlege-Temperaturfühler, die außen an der Rohrleitung befestigt sind und Zapfvorgänge über die Veränderung der Temperatur erkennen, haben diese Nachteile nicht. Allerdings erfüllen nicht alle verfügbaren Produkte diese Aufgabe ohne Einschränkungen und Mängel. So ist beispielsweise ein zylindrischer Standard-Tauchfühler für eine Rohrleitung aus Kunststoff oder Verbundmaterial völlig ungeeignet. Auch entsprechen fest eingestellte Schwellentemperaturen oder Vergleiche mit der Rücklauftemperatur nicht den Erfordernissen.

Zirkulationscontroller "Circon".

Demgegenüber haben Produkte, die mit spezialisierter Temperatursensorik [1] ausgestattet sind, bewiesen, dass mit optimierten Temperaturfühlern [2] und durch adaptive Analyse des Temperaturverlaufs durch die Steuerelektronik nicht nur alle Zapfvorgänge bei beliebigen Rohrmaterialien schnell und zuverlässig erkannt, sondern gleichzeitig weitere wertvolle Informationen gewonnen werden können. Den Vergleich mit Strömungsgebern entscheiden diese Produkte wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit und der einfachen Installation klar für sich.
Das Messprinzip ist simpel: Ein Anlegefühler befindet sich am Warmwasser-Rohr unmittelbar hinter der Warmwasser-Wärmequelle. Durch einen Zapfvorgang an beliebiger Stelle im Netz strömt heißes Wasser in das Vorlaufrohr, wonach ein Temperaturanstieg erkannt und die Pumpe gestartet wird. Eine bereits vorher fühlbar höhere Basistemperatur an der Messstelle ist dafür unproblematisch, weil bei einsetzender Strömung eine weitere, wenn auch nur geringe, Erwärmung erfolgt. In der Praxis dauert der Erkennungsprozess nur wenige Sekunden. Nach einem kurzen Wasserstoß kann das Zapfventil vom Nutzer zunächst wieder geschlossen werden, während die aktivierte Zirkulation zur zügigen Erwärmung an allen Zapfstellen führt.

WELCHE ZIRKULATIONSDAUER IST OPTIMAL?
Die Zirkulationsdauer vom Starten bis zum Ausschalten der Pumpe muss so bemessen sein, dass zumindest alle Zapfstellen versorgt sind. In vielen Zirkulationssystemen gibt es Verzweigungen, die aufgrund unterschiedlicher Länge und hydraulischer Ungleichheiten dazu führen, dass die vollständige Umlaufzeit für diese Teilzweige voneinander abweichen. Deshalb ist die komplexe Auswertung des gesamten zeitlichen Temperaturverhaltens im Rücklauf gemäß [3] erforderlich, um daraus die optimale Laufzeit bestimmen zu können. Hierbei werden die Messergebnisse nach Möglichkeit auch so verkürzt, dass es nicht unbedingt zur Erwärmung des gesamten Rücklaufs kommen muss. Sind hydraulische Zirkulationsregler vorhanden, so stören diese die Auswertung nicht, sondern führen im Gegenteil sogar zu einer kürzeren Gesamt-Zirkulationsdauer.

Brauchwasser-Zirkulationspumpe "BW-SL 154".

VARIABLE REGELMÄßIGKEIT UND VORAUSSCHAUENDE ENTSCHEIDUNGEN
Löst die Zirkulation immer erst im Moment des Bedarfs aus, so wird die Wartezeit bis zur Erwärmung der Zapfstelle als sehr unkomfortabel wahrgenommen. Abhilfe bringt das vorausschauende Aktivieren der Zirkulationspumpe entsprechend erkannter regelmäßiger Bedarfsgewohnheiten. Das in [1] veröffentlichte Prinzip ermöglicht diese Betriebsweise, sowie die im Folgenden beschriebenen Zusatzfunktionen: Ein eingebauter Mikrorechner ermittelt statistische Wahrscheinlichkeitsprofile in einer 24-Stunden-Periode. Über einige vorhergegangene Tage hinweg wird so die mittlere Bedarfswahrscheinlichkeit für jede Tageszeit abgebildet. Damit die Pumpe vorausschauend starten kann, wird der zyklische Speicher im Voraus ausgewertet. Je länger die ermittelte Zirkulationsdauer, desto eher startet die Zirkulation.
Die beschriebene Funktionsweise ist für größere Installationen mit einer großen Anzahl von Bewohnern ebenso geeignet, wie für Einfamilienhäuser. Mit zunehmender Anzahl von Nutzern steigt zwar insgesamt der Anteil der Pumpenlaufzeit an, mit keiner anderen technischen Lösung werden aber diese Zeiten automatisch so optimal an die tatsächlichen Bedarfszeiten angeglichen.

TRINKWASSERQUALITÄT UND THERMISCHE DESINFEKTION
Finden programmierte thermische Desinfektionen statt, so muss die Zirkulationspumpe während dieser Zeit eingeschaltet sein, wofür ein zuverlässiges und dennoch energiesparendes Detektionsverfahren zur Synchronisation der Pumpenlaufzeiten mit den Speicheraufheizzeiten dient [3]. Automatische Suchläufe bestimmen hierzu wöchentlich wiederkehrende Desinfektionszeiten und präzisieren und verifizieren diese im laufenden Betrieb ständig weiter. Sporadische Temperaturspitzen, z.B. bei Solareinspeisung, werden sicher unterschieden. Werden keine Desinfektionszeiten erkannt, so wird die Pumpe nur nach längeren bedarfsbedingten Stillstandszeiten - zum Beispiel bei Abwesenheit der Mieter - zusätzlich gestartet, um das Leitungsnetz regelmäßig durchzuspülen.

WOCHENRHYTHMUS UND ABWESENHEIT
In vielen Haushalten gibt es deutliche Unterschiede des Bedarfsprofils zwischen den Werktagen und dem Wochenende. Nach [3] wird das Wochenende automatisch erkannt. Bei einer längeren Abwesenheit der Nutzer, z.B. bei einer Urlaubsfahrt, werden vorausschauende Pumpenstarts unterbunden und die Gewohnheitsprofile nicht mehr verändert, also auch nicht "verlernt". Sobald sich ein Bewohner durch die erste Warmwasser-Entnahme "zurückmeldet", schaltet die Steuerung sofort wieder in ihren gewohnten Rhythmus.

SELBSTDIAGNOSE
Gelangt nach Installationsarbeiten Luft in die Pumpe, setzt sie sich - unterstützt vom Rückschlagventil - dort gern fest und verhindert die weitere Förderung. Abgesehen davon, dass hierdurch keine Zirkulation mehr erfolgt, führt der Trockenlauf wegen dann fehlender Kühl- und Schmierfunktion schnell zum vorzeitigen Ausfall der Pumpe. Auch die korrekte Funktion des Rückschlagventils in der Zirkulationsleitung ist sehr wichtig, zum Beispiel, damit die Pumpe nicht rückwärts mit heißem Wasser durchströmt wird und um die Schwerkraftzirkulation zu unterbinden. Ausfälle des Rückschlagventils durch Verkalken und Blockieren bleiben aber oft über lange Zeit unbemerkt. Sowohl Trockenlauf- wie auch Rückschlagventil-Fehler werden von einer modernen Steuerelektronik nach [4] ständig mit diagnostiziert und angezeigt, wodurch sich Folgefehler vermeiden lassen.

Brauchwasser-Zirkulationspumpe "AXW smart".

BESONDERHEITEN BEI FRISCHWASSER-STATIONEN
In Wärmetauscher- oder Frischwasser-Stationen sind bei der Installation einige wenige Besonderheiten zu beachten: Der Vorlauffühler ist hier nicht am Warmwasserrohr, sondern am Ladekreis-Vorlaufrohr anzubringen. Der Strömungsschalter für die Ladepumpe des Wärmetauschers muss vom gesamten durchlaufenden Brauchwasser, also nicht nur vom Kaltwasserzulauf, sondern auch vom Zirkulationskreislauf betätigt werden. Die Zirkulationspumpe wird nicht gemeinsam mit der Ladepumpe vom Strömungsschalter über die Steuerung eingeschaltet, sondern ist mit der vorausschauend schaltenden Steuerung zu verbinden. Sofern am Timer der Frischwasserstation eine Nachlaufzeit für die Ladepumpe einstellbar ist, sollte diese unabhängig von der erwarteten Zirkulationsdauer möglichst kurz, wenn möglich sogar auf null eingestellt werden. Falls eine Temperaturüberwachung im Rücklauf die Ladepumpe ausschaltet, muss diese deaktiviert werden. Werden diese Hinweise beachtet, so werden die Vorteile einer Frischwasser-Station mit denen einer bedarfsgerechten Zirkulationssteuerung vorteilhaft miteinander kombiniert.

GRAU IST ALLE THEORIE
Am Markt werden verschiedene Systeme als bedarfsabhängig und lernfähig angeboten, von denen derzeit aber nur drei Produkte die aufgezeigten Anforderungen vollständig erfüllen:

• Der Zirkulationscontroller "Circon", als erstes derartiges Gerät seit 2001 am Markt und inzwischen in der dritten weiterentwickelten Generation erhältlich, ist ein einfach zu installierendes Vorschaltgerät zum Einfügen in die elektrische Zuleitung jeder beliebigen Brauchwasserpumpe. Damit ist es besonders zum Nachrüsten in bestehende Systeme und zum Steuern ungeregelter Pumpen geeignet (Hersteller: Dr. Clauß Bild- und Datentechnik GmbH in Zwönitz, circon.dr-clauss.de).

• Die Brauchwasser-Zirkulationspumpe "BW-SL 154 autolearn" [5] ist die erste ihrer Art mit integrierter bedarfsgerechter Steuerung (Hersteller: Deutsche Vortex GmbH und Co. KG in Ludwigsburg, www.deutsche-vortex.de).

• Die Brauchwasser-Zirkulationspumpen der Serie "AXW smart" mit einer ähnlichen integrierten Steuerung sind für größere Förderleistungen geeignet und mit einem energieeffizienten Permanentmagnet-Motor ausgestattet (Hersteller: Biral AG in Münsingen, Schweiz, www.biral.ch).

Beide Pumpen erfüllen die Kriterien der KfW-Sonderförderung (Programm 431). Charakteristisch für alle diese elektronischen Steuerungen ist, dass sie "im Verborgenen" ihren Dienst verrichten und vom Nutzer kaum bemerkt werden. Alle Funktionen passen sich stetig und automatisch an die Gegebenheiten der Anlage und an die Nutzergewohnheiten an. Bei diesen Geräten wird je ein Spezial-Rohr-Anlegefühler am Vor- und Rücklauf befestigt und mit dem Gerät verbunden. In den beiden Pumpen mit integrierter Elektronik ist der Rücklauf-Fühler bereits in das Pumpengehäuse integriert, sodass nur ein einziger externer Fühler für den Vorlauf zu montieren ist. Mehr ist nicht zu installieren. Sofort nach der Inbetriebnahme wird jeder Zapfvorgang erkannt und die Pumpe daraufhin gestartet. Gleichzeitig beginnt die Steuerung mit dem Sammeln zahlreicher Systemdaten und natürlich aller Zapfzeiten. Es sind keinerlei Einstellungen erforderlich. Je nach individuellem Empfinden kann die Komfort-Stufe vom Nutzer noch reduziert oder erhöht werden, wodurch vorausschauende Pumpenstarts verglichen mit der jeweiligen Bedarfswahrscheinlichkeit eher zurückhaltend oder eher progressiv erfolgen.

ZU KOMPLIZIERT FÜR INSTALLATEUR UND NUTZER?
Der praktische Einsatz ist einfacher als bei jeder anderen Steuerung. Werden die Geräte im Lieferzustand belassen, so kann nichts schief gehen. Es ist also gar nichts einzustellen. Der Nutzer hat später die Möglichkeit, das Verhältnis zwischen Komfort und Sparsamkeit seinen individuellen Bedürfnissen anzupassen, wenn er will - er muss es aber nicht. Weitere Einstellungen sind nicht nötig. Wie gezeigt wurde, funktioniert eine gut konzipierte bedarfsgerechte Zirkulationssteuerung ohne jede bewusste Mitwirkung der Verbraucher. Dennoch ist es von Vorteil, die Nutzer einer damit ausgestatteten Anlage darüber aufzuklären, wie sie ihren Energiebedarf durch gezieltes Verhalten steuern können.

FAZIT
Um eine Brauchwasserzirkulation möglichst energiesparend und trotzdem komfortabel zu betreiben, muss vor allem der Wärmeverlust während der Warmwasser-Bereitstellung reduziert werden, was nur mit einer bedarfsgerechten und selbstlernenden Steuerung der Umwälzpumpe bei Verwendung spezialisierter Temperatursensorik erreicht wird. Die vorgestellten Produkte mit moderner Steuerelektronik und Analyse- und Auswerte-Algorithmen ermöglichen diese Funktionen. Gleichzeitig werden alle Anlage-spezifischen Einstellungen automatisch vorgenommen. Anstatt den Nutzer mit Kodierschaltern oder endlosen Konfigurationsmenüs zu nerven, zeigt die moderne Technik hier ihr Potenzial, ihn hiervon spürbar zu entlasten und dabei ein energiebewusstes aber dennoch komfortables Verbrauchsverhalten zu unterstützen.

Literatur:
[1] Clauß, U.: Anordnung und Verfahren zur bedarfsabhängigen automatischen Steuerung von Warmwasser-Zirkulationspumpen. - Patentschrift DE 101 28 444 B4, 2001
[2] Clauß, U.: Temperatur-Anlegesensor. - Gebrauchsmusterschrift DE 202 08 698 U1, 2002
[3] Clauß, U.: Zirkulationsautomat. - Patentschrift DE 10 2006 054 729 B3, 2006
[4] Clauß, U.: Zirkulationsautomat. - Patentschrift DE10 2007 007 414 B3, 2007
[5] Die Pumpe mit "Köpfchen". - SANITÄR+HEIZUNGSTECHNIK 4/2008

Autor: Dr.-Ing. Ulrich Clauß

AUSFÜHRLICHE INFOS ZUM THEMA
Auf unserer Homepage www.ikz.de bieten wir eine Langfassung dieses Artikels als PDF-Datei zum kostenfreien Download an (Suchwort: Dr. Clauß). In der 22-seitigen Ausarbeitung erläutert der Autor, Dr.-Ing. Ulrich Clauß, detailliert die Energieströme und Messprinzipien der bedarfsgerechten Zirkulationssteuerung und zeigt außerdem Anhand von Grafiken die Funktionsweise und Wirkung des Mikrorechners auf.