Einführung in die Frischwassertechnik

Das Frischwassersystemhygienische und energiesparende Trinkwasserwärmung

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1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2. Konventionelle Trinkwassererwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.1 Trinkwarmwasserbedarf und Verbrauchsprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.2 Systeme zur Trinkwassererwärmung (Stand der Technik) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.2.1 Durchfluß-Trinkwassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.2.2 Speicher-Trinkwassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

2.3 Gesundheitliche und hygienische Risiken der Trinkwassererwärmung . . . . . . . . . . . . .72.3.1 Legionellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72.3.2 Maßnahmen gegen Keimwachstum in konventionellen Systemen . . . . . . . . . . .8

2.4 Energiebedarf zur Trinkwassererwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92.4.1 Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92.4.2 Warmwasser- und Zirkulationsnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92.4.3 Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.5 Beurteilung und Ausblick der Trinkwassererwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3. Trinkwassererwärmung mit varmeco Frischwassererwärmern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

3.1 Problemstellung und Lösungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

3.2 Aufbau des varmeco Frischwassererwärmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

3.3 Strategie zur Leistungsregelung der Ladepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

3.4 Systemeinbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133.4.1 Einzelgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133.4.2 Frischwassererwärmer Kaskade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143.4.3 Dezentrale Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

3.5 Regelungsoptionen und Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163.5.1 Regelung der Trinkwarmwasser-Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163.5.2 Regelung der Zirkulationspumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163.5.3 Zieltemperaturgeführte Pufferspeicherladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163.5.4 Kessel-Restwärmenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

Inhaltsverzeichnis

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3.6 Leistungsfähigkeit und Regelgüte der varmeco Frischwassererwärmer . . . . . . . . . . . .163.6.1 Leistungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163.6.2 Regelgüte – Temperaturstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173.6.3 Heizwasser-Rücklauftemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3.7 Auswirkungen auf andere Systembestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183.7.1 Größe und Art des Pufferspeichers, Platzbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183.7.2 Systempumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.8 Hygienische Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.9 Energiesparpotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.9.1 Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.9.2 Warmwasser- und Zirkulationsnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.9.3 Bereitschaftsverluste am Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.9.4 Abgasverluste am Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.9.5 Weitere Energiesparpotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

4. Vergleich varmeco Frischwassererwärmer – konventionelle Technik . . . . . . . . . . . . . . . . .21

4.1 Investitionskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

4.2 Gesundheit und Hygiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

4.3 Energiebedarf und Betriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

5. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

Copyright 2007 by varmec o GmbH & Co KG

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Trinkwassererwärmungsanlagen befindensich in fast jedem Gebäude. WarmesTrinkwasser dient in erster Linie dermenschlichen Hygiene (Duschen, Baden,Händewaschen) in Wohngebäuden, Indu-strie- und Gewerbebetrieben (Betriebsdu-schen, Sportstudios,…), Beherbergungs-betrieben (Hotels, Pensionen, Camping-plätze, etc.) und öffentlichen Einrichtun-gen (Krankenhäuser, Schulen, Schwimm-bäder, Sportstätten, …). Auch für industri-elle Prozesse wird warmes Wasser ingroßen Mengen benötigt. Praktisch jederMensch kommt täglich intensiv mit Trink-warmwasser in Kontakt, ein Ausdruckunseres Komfortanspruchs.

Die Warmwasserversorgung muß denAnsprüchen an Komfort, Hygiene undWirtschaftlichkeit genügen:

In anderen Bereichen der Heiztechnik(Raumheizung, Kesseltechnologie, usw.)wurden in den letzten Jahren enorme Fort-schritte erzielt, indem hohe Energieein-sparpotenziale erkannt und erschlossenwurden. Die Trinkwassererwärmungerfolgt dagegen seit vielen Jahrzehntenmit fast unveränderter Technologie. Bisheute werden wichtige Fragen der Trink-wassererwärmung nicht gestellt oder alssekundär erachtet. Besonders im Bereich der Warmwasser-hygiene bestehen noch einige Unsicher-heiten bezüglich der Gefahren und eineswirksamen Gesundheitsschutzes. Auchauf die Energieeffizienz der Trinkwasser-erwärmung wird recht wenig Augenmerkgerichtet und Einsparpotenziale werdenselten erkannt.

Ziel der Forschungs- und Entwicklungsak-tivitäten der Firma varmeco war, für zentrale Versorgungssystemeeine deutliche Verbesserung der Warm-wasserhygiene zu erzielen und den Ener-gieaufwand zur Trinkwassererwärmungeffizienter zu nutzen. Das Ergebnis dieserBemühungen sind die varmeco Frischwas-sererwärmer, mit denen wirksame Lösun-gen sowohl in Hygiene- als auch Effizienz-fragen erreicht werden konnten. Damitgelingt gegenüber dem derzeitigen Standder Technik ein großer Fortschritt imGesundheits- und Umweltschutz.

• verfügbar mit gewünschter Temperatur• verfügbar in gewünschter Menge• verfügbar ohne große Zeitverzögerung• regelbare Temperatur • hygienisch einwandfrei• betriebssicher• kostengünstig, energiesparend,

umweltfreundlich

1. Einleitung

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2.1 Trinkwarmwasserbedarf und Verbrauchsprofile

In Wohngebäuden beträgt der Bedarf anwarmem Trinkwasser pro Person etwatäglich 30 Liter bei 60°C. In Betrieben,Hotels, Sportstätten, usw. kann einerheblich abweichender Bedarf bestehen,abhängig von Tätigkeit, Komfortan-spruch, Schmutzbelastung, usw.. ZurBestimmung der Bedarfsmengen in ver-schiedenen Objekten und zur Dimensio-nierung zentraler Trinkwasser-Erwär-mungsanlagen sei insbesondere auf dieNormen DIN 1988 und DIN 4708 verwie-sen.

In den meisten Systemen ist der Bedarfan Trinkwarmwasser dadurch gekenn-zeichnet, daß er extrem hohen zeitlichenSchwankungen unterliegt. Es treten kurz-zeitige Bedarfsspitzen auf, die eine hoheWärmeleistung erfordern. Dazwischen lie-gen Zeiten mit sehr geringem Bedarf undfolglich niedrigerer Wärmeleistung. Dies wird aus Abb. 2.1 deutlich. In einemWohngebäude trat an diesem Meßtageine nur kurze Bedarfsspitze von 3200 l/hauf. Die meiste Zeit lag der Bedarf jedochunter 1000 l/h. Die kurzzeitigen Schwan-kungen sind erheblich. Andere Anlagen in

Betrieben oder Sportstätten weisen zwarein abweichendes Tagesprofil auf, dieSchwankungscharakteristika sind abermeist genauso ausgeprägt.

Ein weiteres Beispiel: Nutzen 10 Arbeiternach Schichtende eine Betriebsduschemit 10 Brausen gleichzeitig, so istwährend etwa 5 Minuten eine Wärme-leistung von 280 kW erforderlich, nach-dem stundenlang zuvor gar keine Wärmeangefordert wurde.

2.2 Systeme zur Trinkwasser-erwärmung (Stand der Technik)

Die derzeit am Markt verfügbaren Syste-me zur Trinkwassererwärmung sind imwesentlichen nach folgenden Kriterien zuunterscheiden:

Zentrale oder dezentrale WassererwärmungIn zentralen Systemen erfolgt die Trink-wassererwärmung für alle Entnahme-stellen mit einem zentralen Gerät. Die ein-zelnen Entnahmestellen werden über einWarmwasserleitungsnetz angeschlossen. Bei dezentralen Systemen verfügenjeweils nur wenige oder auch nur einzelneEntnahmestellen über ein eigenes Gerätzur Trinkwassererwärmung.

Durchlauf- oder SpeichersystemeDurchlaufsysteme erwärmen Trinkwassernur nach Bedarf. Wird ein Warmwasser-hahn geöffnet, fließt das Trinkwasserdurch das Warmwassergerät und wirddarin gleichzeitig erhitzt.Speichersysteme halten dagegen ständigein bestimmtes Volumen erwärmtenTrinkwassers bereit. Erwärmung und Ent-nahme erfolgen zeitlich versetzt.

Direkte oder indirekte BeheizungDirekte Beheizung bedeutet, daß dieWärme direkt vom Energieträger (Gas, Öl,

Strom,…) an das Trinkwasser übergebenwird.Bei indirekter Beheizung wird zunächstHeizwasser durch den Energieträgererwärmt. Das Heizwasser übergibt danndie Wärme an das Trinkwasser.

In den am meisten gebräuchlichen Syste-men trifft man in der Regel die Kombinati-on “zentral-Speicher-indirekt” (Speicher-Wassererwärmer) und “dezentral-Durch-fluß-direkt” (Gas-/Elektrodurchlauferhit-zer) an. Auf diese soll unter Punkt 2.2.1näher eingegangen werden.Mischvarianten und Kombinationen (gas-beheizte Warmwasserspeicher, Durch-fluß-Speicherkombinationen, …) sind sel-tener anzutreffen.

2.2.1 Durchfluß-Trinkwassererwärmer

Bei Durchfluß-Trinkwassererwärmernströmt bei einer Zapfung kaltes Leitungs-wasser durch einen Wärmeerzeuger undwird auf die geforderte Temperaturerhitzt. Am gebräuchlichsten sind elektri-sche oder gasbetriebene Durchlauferhit-zer, also Systeme mit direkter Beheizung.Auf die Speicherung von warmem Trink-wasser wird völlig verzichtet.

Vorteile dieses Prinzips sind die effizienteund bedarfsgerechte Bereitstellung dererforderlichen Wärme. Zudem wird dasTrinkwasser immer frisch erhitzt undsofort verbraucht, sodaß Verkeimung unddamit hygienische Bedenken nicht zuerwarten sind.

Nachteile sind limitierte Regelbarkeit undlimitierte Leistungsbereiche. Wie in Kap.2.1 gezeigt, treten bei größeren Anlagensehr hohe und kurzzeitige Bedarfs-schwankungen auf. Die Anpassung derWärmeübergabe an diese stark variablenBedingungen konnte bis heute nichtzufriedenstellend geregelt werden. Die

2. Konventionelle Trinkwassererwärmung

Abb. 2.1: Trinkwarmwasser-Verbrauch in einem Wohnge-bäude mit 90 Norm-Wohneinheiten, gemessene1-Minuten-Werte

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Temperaturen variieren in unakzeptablerWeise.

Aus letzterem Grund werden bisher mitGas-/Elektro-Durchlauferhitzern nur klei-ne oder dezentrale Systeme betrieben, oftmit nur einer Zapfstelle (kleine Wohnein-heiten oder in größeren Objekten alsdezentrale Geräte für einzelne Duschenoder Handwaschbecken). Unter diesenBedingungen ist eine recht konstanteZapfrate gegeben, auf welche die Geräte-leistung abgestimmt ist. So wird an derZapfstelle eine relativ konstante Tempera-tur eingehalten.

2.2.2 Speicher-Trinkwassererwärmer

Sollen mehrere Verbraucher zentral mitWarmwasser versorgt werden, wird meistein Speicher aus Edelstahl oder ausemailliertem Stahl eingesetzt. Darin wirdgenügend warmes Trinkwasser bevorra-tet, um Bedarfsspitzen und –schwankun-gen aufzufangen. Das Aufheizen desSpeichers auf die gewünschte Tempera-tur kann direkt mit einem eingebautenGasbrenner oder Elektroheizstab erfol-gen. Weitaus verbreiteter sind jedochindirekt beheizte Speicher. Bei diesenwird warmes Heizwasser vom meistohnehin vorhandenen Heizkessel durcheinen speicherinternen Rohr-Wärme-tauscher gefördert und Wärme an daskühlere Trinkwasser im Speicher überge-ben. Bei einer gewünschten Trinkwarm-wasser-Temperatur von 60°C tritt das Hei-

zwasser in der Regel mit 70-80°C in denWärmetauscher ein und gelangt mit 60-65°C zum Wärmeerzeuger zurück.

Vorteil dieses Systems ist, daß immerausreichend warmes Wasser bei richtigerTemperatur verfügbar ist. Die Erwärmungselbst muß nicht zeitgleich mit der Ent-nahme erfolgen und ist deshalb rege-lungstechnisch einfach zu gestalten. Einhoher Warmwasserkomfort ist so auch inGroßanlagen gewährleistet.

Nachteil ist die lange Verweilzeit des war-men Trinkwassers in Speicher und Warm-wasserleitungsnetz, die Keimwachstumermöglicht und hygienische Problemeverursacht. Speicher ab 400 Liter undTrinkwarmwasser-Netze mit über 3 LiternInhalt müssen deshalb aus hygienischenGründen auf 60°C betrieben werden(DVGW-Arbeitsblatt W551). Zudem verur-sacht die ständige Bevorratung warmenWassers Energieverluste.

Speicher-Trinkwassererwärmer sind auf-grund der genannten Vorteile die am wei-testen verbreiteten Systeme zur Erwär-mung von Trinkwasser und können alsStand der Technik betrachtet werden.Deshalb werden sie im weiteren als Refe-renzsystem zum Vergleich herangezogen.

2.3 Gesundheitliche und hygieni-sche Risiken der Trinkwasser-erwärmung

Warmes Trinkwasser birgt hygienischeRisiken. Gerade bei den für uns angeneh-men Temperaturen um 35-40°C könnensich Keime hervorragend entwickeln.Wird warmes Wasser längere Zeit bei die-sen Temperaturen gespeichert, so kannes bei Anwesenheit von Nährstoffen zueiner explosionsartigen Keimvermehrungkommen. Für den Nutzer besteht dann dieGefahr einer Infektion.

2.3.1 Legionellen

Als besonders unberechenbar ist die Bak-terienspezies “Legionella Pneumophila”(Legionellen) einzustufen. Legionellensind erst seit 1976 bekannt. Damalserkrankten nach einem Treffen amerikani-scher Veteranen in einem Hotel in Phila-delphia/USA 149 Teilnehmer an Lungen-entzündung. Von ihnen starben 34. AlsErreger wurde daraufhin die neue Speziesentdeckt, die sich vermutlich über dieHotelklimaanlage verbreitet hatte. 1993waren allein 15 Serogruppen von Legio-nella pneumophila und insgesamt 40 ver-schiedene Spezies mit 61 Serogruppen inder Gattung Legionella beschrieben.

2.3.1.1 Vorkommen von Legionellen

Legionellen kommen praktisch weltweitin allen wässrigen Systemen vor. In unse-ren Trinkwassersystemen kann etwa voneiner Vorbelastung von 1 KBE/Liter (KBE =koloniebildende Einheit, vermehrungs-fähige Keime) ausgegangen werden. Diesist eine sehr geringe und ungefährlicheMenge. Solange das Wasser nicht wärmerals 20°C ist, wird auch keine nennenswer-te Vermehrung stattfinden. Bei einer Kon-zentration ab 1000 KBE/Liter (= 1KBE/ml)ist in Trinkwassersystemen erhöhte Auf-

Abb. 2.3: Indirekt beheizter Speicher-Trinkwassererwärmerzur zentralen Warmwasserversorgung

Abb. 2.2: Prinzip eines Gas-Durchlauferhitzers

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merksamkeit und ggf. Handlungsbedarfgeboten.

2.3.1.2 Wachstumsbedingungen von Legionellen

Legionellen benötigen drei wesentlicheBedingungen, um sich vermehren zu kön-nen:

TemperaturLegionellen vermehren sich zwischen25°C und 55°C, darunter und darüber sindsie im Wachstum gehemmt. Ideale Bedin-gungen finden sie bei 35-40°C. NeuesteUntersuchungen zeigen allerdings, daßsich Legionellen über mehrere Generatio-nen hinweg an höhere Temperaturenanpassen. So liegt die optimale Popula-tion in diesen Untersuchungen bei rund44 °C. Ab etwa 60°C beginnt die Abtötung.

NährstoffeNährstoffe sind in jedem Trinkwasser vor-handen. In Ausfällungen (z.B. Kalk) undAblagerungen an Speicher- und Rohr-wänden kommt es zu einer Aufkonzentrie-rung, so daß sich dort ein Biofilm mit Kei-men bilden kann. Legionellen nutzen vorallem Stoffwechselprodukte andererOrganismen (Amöben, Algen, …) als Nähr-substrate.

ZeitBei günstigen Bedingungen (z.B. 40°Cund Nährstoffüberschuß) können sichLegionellen alle 2 Stunden verdoppeln.Bei langer Verweilzeit des Wassers imSystem ist deshalb eine explosionsartigeKeimvermehrung möglich. So kann imExtremfall innerhalb von 20 Stunden dieAusgangskonzentration von 1 KBE/Literauf 1000 KBE/Liter ansteigen. Dagegenbedeutet eine kurze Verweilzeit von Was-ser, daß selbst bei günstigsten Tempera-tur- und Nährstoffbedingungen kaumeine Vermehrung erfolgen kann.

Zunehmend wird bereits die Forderungnach Erhitzung des Wassers auf über73°C laut.

2.3.1.3 Infektionswege

Infektionsgefahr durch Legionellenbesteht nach bisherigen Erkenntnissennur beim Einatmen von verseuchten fei-nen Wassertröpfchen, Aerosolen. Diesetreten z.B. beim Duschen, in Whirlpoolsund in klimatechnischen Anlagen auf.Durch Trinken oder Hautkontakt ist eineInfektion praktisch ausgeschlossen.

2.3.1.4 Gesundheitliche Risiken durch Legionellen

Legionella Pneumophila kann Legionello-se hervorrufen, eine schwere Lungenent-zündung, die zu 20-30% tödlich endet. InDeutschland gelten pro Jahr 2000-3000Todesfälle durch Legionelleninfektionenals gesichert, bei jedoch hoher Dunkel-ziffer. Ein Bericht in der medizinischenFachzeitschrift PHARMIND nennt eineUntersuchung, bei der von 110 schwerenLungenentzündungen 13,6% eine Legio-nelleninfektion als Ursache hatten.

Eine weniger gefährliche von Legionellenverursachte Krankheit mit allerdingsvolkswirtschaftlich hohen Kosten ist dasPontiac-Fieber (grippeähnliches Krank-heitsbild mit Müdigkeit, Kopfschmerzenund Konzentrationsschwäche, nach 2-5Tagen Genesung ohne weitere Folgen). InDeutschland wird jährlich von 600.000bis 1,2 Mio. Pontiac-Fieber-Erkrankungenausgegangen.

Bis heute ist allerdings das Wissen umLegionellen weiterhin stark mit Unsicher-heiten belastet. Es gibt kaum statistischgesicherte Zahlen zur Anzahl der vonihnen verursachten Erkrankungen undTodesfälle. Dies beruht auf der Tatsache,daß meist weder Lungenentzündungen

noch grippeähnliche Erkrankungengezielt weiteruntersucht werden und inDeutschland keine flächendeckende Meldepflicht für Legionellenerkrankungenbesteht.

Die jüngsten verheerenden Katastrophendurch Legionellenverseuchung in Boven-karspel (Holland 1999, 29 Tote) und Kap-pellen (Belgien 1999, 4 Tote) habengezeigt, daß selbst Industrienationen sichschwertun, das Legionellenproblem inden Griff zu bekommen. Man muß davonausgehen, daß solche offensichtlichenUnfälle nur die Spitze des Eisbergs dar-stellen. Die überwältigende Mehrzahl anInfektionen dürfte im Verborgenen liegenund unerkannt bleiben. Legionellen sindund bleiben deshalb unser wichtigstesumwelthygienische Problem (Bundes-gesundheitsblatt 6/92).

2.3.2 Maßnahmen gegen Keimwachstum in konventionellen Trinkwarmwasser-Systemen

Besonderes Augenmerk ist auf die Verkei-mung von Trinkwarmwassersystemen zulegen. Anfällige Bereiche sind vor allemgroße Trinkwarmwasser-Speicher undlange, verzweigte Leitungsnetze. Esbedarf intelligenter Maßnahmen, die dasWachstum von Keimen unterbinden.

2.3.2.1 Gefährdungspotenzial

Die Großzahl der Trinkwassererwär-mungsanlagen ist mit Trinkwasserspei-chern ausgestattet. In der Regel werdendiese Speicher so dimensioniert (inAbhängigkeit vieler Faktoren wie Zapf-profil und Kesselleistung), daß sie 50-100% des täglichen Bedarfs beinhalten.Damit ergibt sich eine Verweilzeit von 12 -24 Stunden im Speicher, also genug, umKeimwachstum zu begünstigen. Zu Zeitengeringer Zapfung (Urlaubszeit, Wochen-

enden) oder bei Überdimensionierungergeben sich leicht auch Verweilzeitenvon mehreren Tagen. Das Gefährdungs-potenzial ist also hoch.

2.3.2.2 Bekämpfungsmethoden

Die zumeist angewandte Methode zurUnterbindung von Keimwachstum ist dasHochheizen des Wassers auf 55°C-60°C(thermische Behandlung), also in denBereich der Wachstumshemmung beiLegionellen. Andere, seltener praktikableMethoden, auf die hier nicht weiter einge-gangen werden soll, sind:

Chlorieren Ozonierung UV-Bestrahlung Elektrolyse

2.3.2.3 Probleme der thermischen Behandlung

Keine Methode kann absoluten 100%igenSchutz garantieren. Die thermischeBehandlung läßt ebenfalls einige Fragenoffen:

Verbrühungsgefahr – das heiße Wassermuß vor der Nutzung durch den Menschen sicher wieder auf ein niedriges Temperatur-niveau gebracht werden

Wie lange dauert die Aufheizphase,bis 55°C erreicht sind?

Werden garantiert überall 60°C erreicht (Speicherboden, Warmwassernetz)?

Kalk fällt ab ca. 60°C verstärkt aus undvermindert die Wärmeübertragungs-leistung

ausfallender Kalkschlamm bietet erst recht einen guten Nährboden für Keime

Legionellen passen sich womöglich

über mehrere Generationen an höhere Temperaturen an

hohe Temperaturen begünstigen Korrosion

hoher Energieverbrauch

bei fehlerhaftem Thermostat oder Fehleinstellung durch den Betreiber entfällt der Legionellenschutz eventuell unbemerkt

2.4 Energiebedarf zur Trinkwassererwärmung

Bei jeder Art der Wärmeerzeugung, -übertragung und –bevorratung kommtes zu Verlusten. Diese Verluste können jenach System, Objekt, Verbrauchsprofilenund erforderlichen Temperaturen sehrunterschiedlich ausfallen und treten innachfolgend beschriebenen Systemberei-chen auf. Da Trinkwarmwasser zurmenschlichen Hygiene bei meist 35-45°Cgenutzt wird, der thermische Hygiene-schutz jedoch Speicher- und Netztempe-raturen von 55-60°C erforderlich macht,kommt es zu höheren thermischen Verlu-sten als rein zweckorientiert notwendig.

2.4.1 Speicher

An Speichern treten kontinuierlich Bereit-schaftsverluste auf. Dafür können meistWerte zwischen 2% und 5% des eigentli-chen Trinkwasser-Wärmebedarfs ange-nommen werden. Bei 60°C sind sie etwaum ein Drittel höher als bei 45°C.

2.4.2 Warmwasser- und Zirkulationsnetz

Warmwasser- und Zirkulationsleitungengeben ständig Wärme ungenutzt an dieUmgebung ab. Bei langen Leitungsnetzenbetragen diese Wärmeverluste oft 100%und mehr des eigentlichen Bedarfs, ver-doppeln also den Energiebedarf. Kurze

Leitungen lassen dagegen diese Verlustegegen Null gehen. Diese Werte sind alsostark objektabhängig. Auch hier bedeutetein Betrieb bei 60°C gegenüber 45°C inetwa um ein Drittel höhere Verluste.

2.4.3 Wärmeerzeuger

Durch hohe Heizwasser-Rücklauftempe-raturen können die Wirkungsgradpoten-ziale moderner Niedertemperatur- undBrennwertkessel nicht ganz genutzt wer-den. Die Brenngase werden mit höherenRücklauftemperaturen nicht vollständigabgekühlt und die Wärmeverluste überdas Abgas steigen. Bei 60°C Heizwasser-Rücklauftemperatur (typisch für Speicher-Trinkwassererwärmer) ist selbst beimodernen Gas-Brennwertkesseln mitAbgasverlusten (incl. der Latentwärmedes im Abgas enthaltenen Wasser-dampfs) von ca. 14% zu rechnen.

Zudem ist der Heizkessel nach jeder Spei-cherbeladung heiß. Diese Restwärmewird im Sommer nicht genutzt und gehtverloren. In der Heizperiode findet da-gegen eine Nutzung im Heizsystem statt.Diese Bereitschaftsverluste hängen vonKesselgröße und Güte der Dämmung abund sind im Sommer bei neuartigen Kes-seln meist bei 10-15% anzusiedeln, übersJahr bei 3-5%.

Bei älteren Kesseln muß oft eine Mindest-Rücklauftemperatur eingehalten werden,um Korrosion durch Kondensation vonRauchgas-Wasserdampf zu vermeiden.Deswegen kann hier eine kühlere Rück-lauftemperatur nicht zur Reduzierung derAbgasverluste dienen. Diese betragen um20% und mehr. Die Bereitschaftsverlusteälterer Kessel sind ebenfalls deutlichhöher anzusiedeln, im Sommer bis zu30%, übers Jahr um 10%.

Zusammenfassend kann man sagen, daßin sehr vielen Systemen nicht mehr als

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50% des Brennstoffeinsatzes letztendlichtatsächlich für Warmwasser genutzt wer-den. Ein sehr großer Anteil der eingesetz-ten Energie geht verloren.

2.5 Beurteilung und Ausblick der Trinkwassererwärmung

Während in anderen Bereichen der Heiz-technik (Raumheizung, Kesseltechnolo-gie, usw.) in den letzten Jahren enormeFortschritte erzielt wurden, wird bei derTrinkwassererwärmung im Prinzip seit

vielen Jahrzehnten eine unveränderteTechnologie angewandt. Bis heute wer-den wichtige Fragen der Trinkwasserer-wärmung nicht gestellt oder als sekundärerachtet. Dies betrifft vor allem die Hygie-ne und die Energieeffizienz.

Wünschenswert wäre ein leistungsfähi-ges und in Großanlagen anwendbaresSystem, das die hygienischen Vorteilevon Durchlauferhitzern mit dem Komfortvon Speichersystemen kombiniert. Hygie-neschutz sollte auch ohne technischen

Zusatzaufwand und ohne übermäßigeWassererhitzung gegeben sein. Zudemsollte das große Energiesparpotenzialgegenüber bisherigen Trinkwarmwasser-Speichersystemen erschlossen werden.

Möglich ist dies, wenn es gelingt, einenzentralen Durchflußerwärmer so lei-stungsstark und regelgenau zu gestalten,daß er auch bei größeren Anlagen zumEinsatz kommen kann.

Mit den Frischwassererwärmern der Firmavarmeco gelang es, Trink-wasser-Durchflußerwärmer zu konzipie-ren, die auch für die zentrale Trinkwasser-erwärmung in Großanlagen anwendbarsind. Damit steht nun erstmals ein sol-ches Gerät zur Verfügung, das bei varia-blen Betriebsbedingungen eine hoheTrinkwarmwasser-Temperaturstabilitätsicherstellt.

3.1 Problemstellung und Lösungs- ansätze

Abbildung 2.1 zeigte den gemessenenVerlauf der Trinkwarmwasser-Zapfrate ineinem großen Wohngebäude. Es wurdedeutlich, wie stark sich die Zapfmengevon einem Augenblick auf den anderenändert. Bei der Trinkwasser-Erwärmungim Durchflußprinzip muß sich die Wär-meübergabe sehr schnell an diese varia-blen Bedingungen anpassen und prak-tisch dem gezeigten Kurvenverlauf folgen.

Grundsätzlich scheinen nur Wasser-Wasser-Durchflußerwärmer die Chanceeiner entsprechend guten Regelfähigkeitzu besitzen, also ein System mit indirek-ter Beheizung. Die direkte Beheizung mitGas oder Öl ist wegen der eingeschränk-ten Regelgeschwindigkeit der Brennerauszuschließen.

Bei einem leistungsfähigen Wasser-Was-ser-Durchflußerwärmer fließt das kalteTrinkwasser durch einen Plattenwärme-tauscher (Abb. 3.1). Gleichzeitig förderteine Pumpe heißes Heizwasser im Gegen-strom durch die andere Seite des Platten-wärmetauschers und erwärmt damit daskalte Trinkwasser auf die gewünschteTemperatur.

Folgende Randbedingungen sind gegeben: Die Warmwasser-Zapfrate kann Werte von 0 bis mehrere Tausend Liter pro Stunde annehmen.

Die Zapfrate unterliegt sehr schnellen Veränderungen.

Die Heizwassertemperatur kann variieren.

Das Wärmeübertragungsverhalten bei Plattenwärmetauschern ändert sich ständig in Abhängigkeit aller anderen Variablen (Volumenströme und Temperaturen).

Dazu ergeben sich folgende Aufgabenstellungen:

Die Warmwasser-Zieltemperatur (z.B. 60°C) muß konstant eingehalten werden, um Komfort und Verbrühungsschutz zugewährleisten.

Die Leistungsregelung der Wasser-erwärmung muß sich flink an die wechselnden Bedingungen anpassen.

Das Heizwasser sollte möglichst weitge-hend entwärmt werden, um einen hohen Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers zu erzielen (kühler Rücklauf).

Es bietet sich an, die Leistungsregelungüber die Ladepumpe zu gestalten, unddamit über den Heizwasservolumen-strom. Dazu muß die Pumpe schnell undin einem sehr weiten Bereich regelbarsein. Die Pumpe muß einerseits sehr lei-stungsfähig sein, da sie bei maximalerTrinkwarmwasser-Zapfung genügend Heiz-wasser durch den Wärmetauscher fördernmuß. Andererseits sind Spitzenzapfun-gen eher seltene Ereignisse. Die überwie-gende Zeit beträgt die Zapfmenge nur einBruchteil des Spitzenwertes, oft nur 10-20% davon oder noch weniger (sieheAbb. 2.1). Gerade die Leistungsregelungin einem so niedrigen Teillastbereich istäußerst delikat und stellt sehr hoheAnforderungen an die Regelung.

In früheren Versuchen konnten starkeSchwankungen der Trinkwarmwasser-

Temperatur nicht verhindert werden. DieUrsache dafür ist in den bis dahin ange-wandten Regelstrategien zu suchen. Eswurde versucht, über Temperaturfühleran verschiedenen Stellen des Systemseine Regelstrategie abzuleiten. Die Platzierung der Fühler und ihre Reaktions-zeit erlaubten aber keine praktikableLösung. Große Systeme nach dem Durch-flußprinzip wurden deshalb bisher kaumrealisiert. Zu groß waren bisher die rege-lungstechnischen Probleme.

3.2 Aufbau des Frischwassererwärmers

Um die erforderlichen Aufgaben zu bewäl-tigen, wurden die Frischwasser-erwärmer nach ausgiebiger Forschungs-und Entwicklungsarbeit wie folgt konzi-piert:Die Wärmeübertragung vom Heizwasseran das Trinkwasser erfolgt über einengelöteten Edelstahl-Plattenwärmetau-scher. Im Kaltwasserzufluß der Trinkwas-serseite befindet sich ein elektronischerDurchflußmesser. Drei schnell reagieren-de Temperaturfühler befinden sich amWarmwasser-Ausgang, am Heizwasser-

3. Trinkwassererwärmung mit varmeco -Frischwassererwärmern

Abb. 3.1: Prinzip eines Wasser-Wasser-Durchlauferhitzersmit leistungsfähigem Plattenwärmetauscher und Heizwasser-Ladepumpe

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vorlauf sowie am Heizwasserspeicher . Inden heizwasserseitigen Zuleitungen sindeine Pumpe und ein elektrisches Motor-ventil angebracht. Die Steuerung desSystems erfolgt über einen Regelungs-computer. Dieser wertet die Daten derTemperaturfühler und des Durchflußmes-sers aus, öffnet und schließt das Motor-ventil und regelt die Ladepumpe in derLeistung (Drehzahl).Dieses hydraulische wie regelungstechni-sche Prinzip ist patentrechtlich geschützt.Die ersten Patentanmeldungen in diesemZusammenhang reichen bis in das Jahr1992 zurück.

3.3 Strategie zur Leistungsrege-lung der Ladepumpe

Anstatt ausschließlich Temperaturfühlerzu verwenden, entschloss man sich beivarmeco zusätzlich zum Einsatz einesVolumenstrommessers. Die Logik dieserEntscheidung wird aus einer Betrachtungder physikalischen Grundlagen der Wärmeübertragung deutlich (sieheKasten rechts).

Darin bedeuten:Durchfluß TW: Durchfluß des Trinkwassers durch denPlattenwärmetauscher

Temperaturdifferenz TW: Temperaturunterschied zwischen demeintretenden kalten Trinkwasser und dereingestellten Temperatur, die das Trink-wasser nach dem Austritt aus dem Frisch-wassererwärmer haben soll.

Durchfluß HW: Durchfluß des Heizwassers durch denPlattenwärmetauscher, dieser wird durchdie Frischwasserladepumpe geregelt.

Temperturdifferenz HW: Temperaturunterschied zwischen demheißen Vorlaufwasser und dem abgekühl-ten Rücklaufwasser nach dem Platten-wärmetauscher.

Außer den Systemtemperaturen wird alsoauch der trinkwasserseitige Massenstromerfaßt. Die Stellgröße ist der heizwasser-seitige Massenstrom. Dieser kann nunaufgrund aller anderen Daten gesteuertwerden. Alle Parameter können sichjedoch innerhalb von Sekundenbruchtei-len verändern, deshalb muß auch dieErfassung der Daten und die Pumpenan-steuerung äußerst schnell erfolgen.Zudem sind die Zusammenhänge nichtlinear, da sich z.B. auch das Übertra-gungsverhalten des Wärmetauschers beiunterschiedlichen Massenströmen undTemperaturen ständig ändert. Um dieseAnforderungen in den Griff zu bekommen,basiert die Regelung des varmeco Frisch-wassererwärmers auf einem neuronalenNetzwerk.

Abb. 3.2:Schematischer Aufbau des Frischwassererwärmers

Wärmeaufnahme Trinkwasser (TW) QTW = Wärmeabgabe Heizwasser (HW) QHW

oder

Durchfluß TW x Temperaturdifferenz TW = Durchfluß HW x Temperaturdifferenz HW(bekannt) (vorgegeben) (Stellgröße) (bekannt)

Neuronale Netzwerktechnik

Die Umsetzung der Theorien über neuro-nale Netze findet in der modernen Rege-lungstechnik immer mehr Anwendung, daviele Aufgabenstellungen zuverlässiggelöst werden können, die mit der kon-ventionellen Regelungstechnik oftmalsnur sehr aufwendig oder nur ungenügendzu bewältigen sind. Das neuronale Netz,das Eingangs- und Ausgangsgrößen mit-einander verknüpft, ist in Struktur undFunktionsweise eine primitive Nach-ahmung des menschlichen Gehirns.

Die Verknüpfungen sind hierbei nichtstarr, sondern ändern sich nach bestimm-ten Lernmethoden, um die Regelungsauf-gabe besser zu bewältigen.Zur Umsetzung beim Frischwasserer-wärmer ist im Computerprogramm eineArt Tabellenwerk oder Datenbank ange-legt. Hier werden ständig die gerade vor-liegenden Temperaturverhältnisse und

Volumenströme, die gewünschte Trink-warmwasser-Temperatur und die Zuord-nung der Pumpenleistung abgelegt.Während des Betriebs wird diese Daten-bank kontinuierlich angepaßt, um dasbestmögliche Resultat zu erzielen. Damitoptimiert die Regelung ihr Verhaltendurch ständige Lernprozesse.

Die varmeco Frischwassererwärmer sindstandardmäßig mit einer entsprechendleistungsstarken Pumpe ausgerüstet, umSpitzenzapfraten abdecken zu können.Ihre Regelung erfolgt über eine getakteteStromzufuhr. Dabei erfolgt der nächsteStromimpuls bereits bevor die Pumpevollständig zur Ruhe kommt. Auf dieseWeise werden hohe Einschaltströme ver-mieden und die Pumpenmechanikgeschont. So ist ein stufenloser Rege-lungsbereich zwischen 1 - 100% der Maxi-malleistung möglich und selbst in niedri-gen Teillastbereichen wird eine hoheRegelungsgüte erreicht. Andere Strategi-

en zur Leistungsregelung von Pumpenwie Frequenzmodulation und Phasenan-schnittsteuerung (auf deren genaue Funk-tionsweise soll hier nicht weiter eingegan-gen werden) ermöglichen nur einenRegelbereich zwischen etwa 20 - 100%und sind deshalb im wichtigen unterenLeistungsbereich zu ungenau.

3.4 Systemeinbindung

3.4.1 Einzelgeräte

Die varmeco Frischwassererwärmer sindals komplett vorgefertigte, anschlußberei-te Einheiten konzipiert. Sie verfügen überjeweils einen Anschluß für Kaltwasserzu-lauf, Warmwasserablauf und den heiz-wasserseitigen Vor- und Rücklauf. EineTrinkwarmwasser-Zirkulationsleitungwird bauseits vor dem Frischwasser-erwärmer an die Kaltwasserzuleitungzurückgeführt.

Abb. 3.3:Systemeinbindung des varmeco Frischwassererwärmers mit Pufferspeicher

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wärme.nutzenvarmeco

Der Speicher bevorratet genügend heißesHeizwasser, um die Bedarfsspitzen abzu-decken. Im Gegensatz zu konventionellenSystemen wird hier die notwendigeWärme also nicht im Trinkwasser selbstgespeichert, sondern im Heizwasser. Mit diesem Heizwasser kommt der Nutzernicht in Kontakt. Dadurch entfallen hygie-nische Bedenken der Trinkwarmwasser-Speicherung. Der Pufferspeicher wird voneinem Wärmeerzeuger immer wiedernachgeladen.

3.4.2 Frischwassererwärmer-Kaskade

Wie bereits erwähnt, ist die Regelung derWärmeübertragung besonders im niedri-gen Teillastbereich delikat. Selbst inGebäuden mit sehr großem Warmwasser-bedarf tritt sehr häufig der Fall auf, daßgerade nur z.B. eine einzige Duschegenutzt wird. Trotz der gegebenen Regel-güte werden die varmeco Frischwasserer-wärmer nur bis zu einer bestimmten Lei-stungsgröße gefertigt (siehe Kap. 3.6). Eingrößeres Gerät könnte bei einem so nied-rigen Zapfvolumenstrom nicht mehr dienötige Temperaturstabilität erbringen.Der Komfort für den Einzelnutzer wäre

dann inakzeptabel. Deswegen werden beigrößeren Systemen besser zwei odermehr Geräte in Kaskade geschaltet. Bei der Regelungserweiterung ”Kaskade”springt bei einem Zapfvorgang zunächstnur das erste Gerät an. Sobald es an seineLeistungsgrenze gelangt, öffnet die Rege-lung ein Motorventil im Kaltwasserzuflußzum zweiten Gerät. Gelangt dieses wie-derum an seine Grenze, wird ein weiteresVentil zu einem dritten Gerät geöffnet,usw.. Auf diese Weise lassen sich auchgrößte Anlagen realisieren, ohne dabeiden Komfort bei geringen Zapfmengen zuopfern.

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Abb. 3.4:Kaskadenschaltung für sehr große Systeme

3.4.3 Dezentrale Installation

Zur Vermeidung langer Trinkwarmwasser-netze eröffnet sich die Möglichkeit derdezentralen Installation. Da die Frisch-wassererwärmer sehr kompakt gebautsind und nur wenig Platz benötigen, istdies weitaus besser praktikabel als mitTrinkwasserspeichern. Bei der dezentra-len Installation kann die Wärmeerzeu-

gung und Heizwasserbevorratung weiter-hin an zentraler Stelle erfolgen.

Die Trinkwassererwärmung selbst erfolgtjedoch verbrauchsnah in den entspre-chenden Gebäudeteilen. Zwischen Heiz-zentrale und Frischwassererwärmer zirku-liert nun Heizwasser anstatt warmesTrinkwasser. Die eigentlichen Wege deswarmen Trinkwassers sind damit deutlich

kürzer und hygienisch sicherer. Gegeben-falls kann sogar auf eine Trinkwarm-wasserzirkulation gänzlich verzichtet werden.

Abb. 3.5:Dezentrale Installation der varmeco Frischwassererwärmer

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3.5 Regelungsoptionen und Funktionen

3.5.1 Regelung der Trinkwarmwasser-Temperatur

Die Trinkwarmwasser-Temperatur läßtsich auf Werte von 20-60°C einstellen.Dazu können 6 Schaltpunkte an 7Wochentagen genutzt werden, um einTages- oder Wochentemperaturprofilanzulegen. Mit dieser Programmierungwerden die Temperaturen im Systemimmer möglichst niedrig gehalten und dieWärmeverluste reduziert.

Wird am Durchflussmesser ein Volumen-strom registriert, öffnet der Regler dasMotorventil (Öffnungs- und Schließzeit < 5sec). Dieses Ventil verhindert im Anlagen-stillstand eine eventuelle Blindzirkulationvon Heizwasser durch den Wärmetau-scher, und bannt die Gefahr von Stein-bildung auf der Trinkwasserseite.Die Ladepumpe wird eingeschaltet und inAbhängigkeit des Volumenstroms amDurchflußmesser und der Heizwasser-temperatur so geregelt, daß die program-mierte Trinkwarmwasser-Temperaturerreicht wird.

3.5.2 Regelung der Zirkulationspumpe

Die Zirkulationspumpe wird ebenfallsüber die Regelung des Frischwasserer-wärmers angesteuert. Auch hier steht einZeitprogramm zur Verfügung. Zusätzlichempfiehlt sich die Option ”temperaturge-führte Regelung”. Dabei wird die Zirkula-tionspumpe ausgeschaltet, sobald einebestimmte Rücklauftemperatur über-schritten wird (z.B. Warmwasser-Tempe-ratur - 5K). Die Einschaltung erfolgt erstwieder, wenn diese Temperatur um z.B.weitere 2 °C abgesunken ist und eine ein-stellbare Pausen-(Stillstands-)Zeit abge-laufen ist. So ist an den Zapfstellen garan-tiert warmes Wasser vorhanden, aber die

Zirkulationspumpe muß weniger oft lau-fen. Damit kann in vielen Systemen mehrals die Hälfte des Strombedarfs für die Zir-kulationspumpe eingespart werden unddie Wärmeverluste werden minimiert.

3.5.3 Zieltemperaturgeführte Pufferspeicherladung

Optional kann auch die Pufferspeicher-ladung vom varmeco Frischwassererwär-mer geregelt werden. Dieser wird dannimmer auf einem Temperaturniveauknapp oberhalb der programmiertenWarmwassertemperatur geladen (ca.+10K, Überhöhung programmierbar).Dabei wird auch die Speicherladepumpein der Leistung geregelt, und zwar so, daßsich das Heizwasser im Wärmeerzeugerin einem Durchfluß auf die Zieltemperaturerwärmt (z.B. von 20°C auf 65°C). Heiz-wasser wird auf diese Weise von oben hermit nutzbarer Temperatur in den Puffer-speicher eingeschichtet und der Wär-meerzeuger erhält trotzdem ständig küh-les Rücklaufwasser um 20-25°C.So kann z.B. ein Brennwertkessel fast völ-lig ohne Abgasverluste (<1%) betriebenwerden. Die Speicherladung wird durch einen imoberen Teil positionierten Speicherfühlerbei Unterschreitung der Solltemperatur

gestartet und durch einen im unteren Teilpositionierten Speicherfühler bei Errei-chen der Solltemperatur beendet. DieKontrolle der Ladetemperatur erfolgtdurch einen Fühler am Wärmeerzeugerund an der Speicherladeleitung.

3.5.4 Kessel-Restwärmenutzung

Zum Ende des Beladevorgangs wird derHeizkessel ausgeschaltet. Die Pumpeläuft aber noch kurz weiter und spült denKessel mit kühlem Rücklaufwasser. DieRestwärme des Kessels wird so auch imSommer genutzt und Bereitschaftsver-luste entfallen praktisch vollständig.

3.6 Leistungsfähigkeit und Regel-güte der varmeco Frischwasser-erwärmer

3.6.1 Leistungsbereiche

Die Frischwassererwärmer wer-den in vier Leistungsgrößen gebaut. Insbesondere unterscheiden sich dabeiGröße und Art der verwendeten Wärme-tauscher und Pumpen. Wichtigste Parameter sind die Trinkwarm-wasser-Zapfraten, die mit den einzelnenGeräten abgedeckt werden:

• Nenn-Zapfvolumenstrom: Zapfrate, bis zu der das Gerät im Optimum arbeitet(bei TWW=45°C und 55°C Speichertemperatur).

• Max. Zapfvolumenstrom: Zapfrate, die maximal abgedeckt werden kann (bei TWW=45°C und 82°C Speichertemperatur).

• Min. Zapfvolumenstrom: Zapfrate, ab der Temperaturstabilität gewährleistet ist (Soll-TWW-Temperatur +/- 2 °C).Bei Betrieb der Zirkulation wird oft schon einMindest-Volumenstrom erreicht.

• NL-Zahl: Leistungskennzahl, Anzahl an ”Normwohnun-gen”, die mit TWW versorgt werden können.

Tab. 3.3:Leistungs- und Anwendungsbereiche der varmeco Frischwassererwärmer

3.6.2 Regelgüte – Temperaturstabilität

In Abb. 3.6 wird stellvertretend ein Lei-stungsdiagramm für das Gerät FWS 40gezeigt. Es wird beschrieben, unter wel-chen Bedingungen eine stabile Trink-warmwasser-Temperatur erreicht wird,abhängig von Zapfvolumenstrom und derHeizwassertemperatur (Temperaturüber-höhung primär/sekundär bedeutet hierdie Differenz zwischen Heizwasser undgewünschter Warmwasser-Temperatur).Es zeigt sich, daß in sehr weiten Arbeits-bereichen eine hohe Regelgüte erzieltwird.

Nutzungsarten nach DIN 1988 Teil 3:1: Wohngebäude2: Büro- und Verwaltungsgebäude3: Hotels, Pensionen4: Sportstätten, Schulen,

Betriebsduschen und andere Anlagen mit hoher gleichzeitigenNutzung

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Abb. 3.6:Arbeitsbereiche des FWS 40 mit gradgenauer Temperaturstabilität

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3.6.3 Heizwasser-Rücklauftemperatur

Die Entwärmung des Heizwassers ist einenergetisch wichtiger Aspekt bei derTrinkwassererwärmung. Bei einem Spei-cher-Wassererwärmer (Kap. 2.2.2) mitintegriertem Wärmetauscher wird dasHeizwasser zur Beladung des Speichersmeist um nicht mehr als 10K abgekühlt.Bei einem Heizwasser-Vorlauf von 70°Cergibt sich also ein Rücklauf von etwa60°C zum Wärmeerzeuger. Jedem LiterHeizwasser werden in einem Durchlaufdurch den Wärmetauscher nur 11,6 Wh

Wärme entzogen und im Wärmeerzeugerwieder zugegeben.

Die Folgen:1. Moderne Wärmeerzeuger wie Brenn-wertkessel und Fernwärmenetze arbeitenaufgrund der hohen Rücklauftemperaturauf einem nicht optimalen Wirkungsgrad(ca. 14% Abgasverlust).

2. Das Heizwasser muß schnell und häu-fig zirkulieren, um die Wärmeleistung zutransportieren. Große Pumpen mit hohemStrombedarf sind dafür nötig.

Im varmeco Frischwassererwärmer findeteine erheblich höhere Heizwasserentwär-mung statt. Im Beispiel aus Abb. 3.7 wirdTrinkwasser von 10°C auf 45°C erwärmt.Bei einer Zapfmenge von 55,3 l/min wird60-grädiges Heizwasser in einem Durch-lauf auf 17,5 °C entwärmt. Die Abkühlungbeträgt also 42,5 K, gut das 4-fache als imvorherigen Beispiel.

Die positiven Konsequenzen:1. Moderne Wärmeerzeuger wie Brenn-wertkessel und Fernwärmenetze arbeitenaufgrund der niedrigen Rücklauftempera-tur auf einem sehr hohen Wirkungsgrad (< 1% Abgasverlust).

2. Das Heizwasser muß weit weniger zir-kulieren, um die Wärmeleistung zu trans-portieren. Kleinere Pumpen mit geringe-rem Strombedarf können eingesetzt wer-den.

3. Bei Einbindung eines Pufferspeicherswird dessen Wärmekapazität hervorra-gend genutzt. Der Speicher kann somitrelativ klein gehalten werden.

3.7 Auswirkungen auf andere Systembestandteile

3.7.1 Größe und Art des Puffer-speichers, Platzbedarf

In den meisten Fällen ist ein Pufferspei-cher zwischen Wärmeerzeuger und Fri-schwassererwärmer notwendig. Dieserkann jedoch meist kleiner sein als kon-ventionelle Trinkwarmwasser-Speicher,da deren Wärmetauscher zur Speicher-ladung meist nicht die volle Leistung desWärmeerzeugers übertragen können.Dies sei im Folgenden verdeutlicht.

Eine Trinkwasser–Erwärmungsanlagebestehe aus 2 x 500 l Speicher-Wasserer-wärmern (gesamt: 1000 Liter). Bei einerHeizwassertemperatur von 70°C können

Abb. 3.7:Entwärmung des Heizwassers in Abhängigkeit verschiedener Parameter

die internen Wärmetauscher der Speichermax. 86 kW Leistung übertragen. Werdenvom Wärmeerzeuger z.B. 120 kW zur Ver-fügung gestellt, so können 34 kW Wärme-leistung nicht übertragen werden. Ein Pufferspeicher in Verbindung mit demvarmeco Frischwassererwärmer kanndagegen die volle Wärmeleistung desWärmeerzeugers aufnehmen, da keineLeistungsbegrenzung durch einen Wärmetauscher stattfindet. Die Nachla-dung erfolgt hier also schneller. Entspre-chend kann der Speicher kleiner gehaltenwerden. Im gegebenen Beispiel könntedas Speichervolumen auf ca. 650 Literreduziert werden, mit entsprechenderPlatzersparnis und geringeren Speicher-Wärmeverlusten.

Da der Pufferspeicher nur Heizwasser auf-nehmen muß und kein Trinkwasser, kannein kostengünstiger Speicher ausSchwarzstahl (St-37) verwendet werden.Weder Edelstahl- noch emaillierte Spei-cher sind vonnöten.

3.7.2 Systempumpen

Bei Einbindung eines Pufferspeicherswird zusätzlich zur Ladepumpe des Frischwassererwärmers eine Speicher-ladepumpe benötigt. Diese wird jedochebenfalls in der Leistung geregelt undmuß nur geringe Massenströme fördern.Deshalb ist der Pumpenstrombedarf imVergleich zu Speicher-Wassererwärmerndennoch kleiner einzuschätzen.

3.8 Hygienische Aspekte

Beim varmeco Frischwassererwärmererfolgt keine Speicherung von Trinkwarm-wasser. Stattdessen wird kaltes Trinkwas-ser bedarfsgerecht erwärmt und sofortverbraucht. Die Verweilzeit des erwärm-ten Wassers im System wird entschei-dend reduziert (um 90% und mehr), damit jeder Zapfung ein Austausch stattfin-

det. Damit haben Keime kaum Zeit, sichzu entwickeln und das System ist auchohne technische Maßnahmen praktischnicht verkeimungsanfällig.

Bei Realisierung dezentraler Systeme(Kap. 3.4.3) wird auch das verkeimungs-gefährdete Trinkwarmwassernetz erheb-lich verkürzt.

Das DVGW-Arbeitsblatt W551 fordert den-noch auch bei zentralen Durchfluß-Trink-wassererwärmern eine Austritts- und Zir-kulationstemperatur von 55-60°C undstellt sie mit Speicher-Trinkwassererwär-mern auf eine Stufe. Diese Einstufungkonnte nicht auf Erfahrungswerten beru-hen, da bisher kaum zentrale Durchfluß-systeme realisiert wurden. Bei rigoroserAnwendung könnte dieses Arbeitsblattein Innovationshemmnis darstellen.Die varmeco Frischwassererwärmerermöglichen nun eine Datenbasis zuschaffen, um die Auswirkungen diesesVerfahrens auf die Warmwasserhygienezu überprüfen. Abhängig von der Längeund Verzweigung des Warmwassernetzeswird in diesen Systemen bereits bei 45°Ckaum Verkeimung auftreten. Wird dasTrinkwarmwasser-System auf dieser Tem-peratur betrieben, weil keine höherenTemperaturen benötigt werden, so eröff-nen sich große Energiesparpotenziale.Allerdings ist dann die Überwachungnach DVGW-Arbeitsblatt W552 notwen-dig, die regelmäßige Hygieneuntersu-chungen vorsieht.

Letztendlich wird es jedem Betreiberoffenstehen, ob er seine Anlage strengnach DVGW-Arbeitsblatt W551 auf 60°Cbetreiben will oder ob er einen energie-sparenden Betrieb auf 45-50°C vorziehenmöchte, mit regelmäßiger hygienischerÜberwachung nach DVGW-ArbeitsblattW552. Generell sind beide Betriebswei-sen mit den Frischwasserer-wärmern möglich.

Die Erfahrung von Betreibern großerAnlagen, in denen die Frischwassertech-nik realisiert wurde, zeigt, daß bei einge-stellten Brauchwassertemperaturen von45-50 °C einwandfreie Wasserqualitätenerzielt werden.

Abb.3.8:Bsp. Ergebnisse einer Legionellen Untersuchungder Stadt Soest durch das Hygieneinstitut derUniversität Münster

wärme.nutzenvarmeco

3.9 Energiesparpotenziale

Gegenüber konventionellen Systemen mitTrinkwasserspeichern bieten die Frisch-wassererwärmer aufgrund ihrer Regel-strategien an allen Anlagenpunkten Ener-giesparmöglichkeiten.

3.9.1 Speicher

Gegenüber Trinkwasserspeichern in kon-ventionellen Anlagen können in vielenAnlagen kleinere Heizwasserspeicherzum Einsatz kommen. So wird sich einevariable Reduzierung der Speicherwärme-verluste ergeben.

3.9.2 Warmwasser- und Zirkulationsnetz

In vielen Systemen werden die varmeco Frischwassererwärmer die Möglichkeiteröffnen, bereits bei 45-50°C, statt bisher55-60°C, die Anforderungen an die Hygie-

ne zu erfüllen. Dadurch sinken die Wär-meverluste im Warmwasser- und Zirkula-tionsnetz um ca. 25%.

3.9.3 Bereitschaftsverluste am Wärmeerzeuger

Die varmeco Frischwassererwärmer stellenkontinuierlich eine kühle Rücklauftempe-ratur von i.d.R. 25°C sicher (Kap. 3.5.3).Zudem verfügen sie über die Restwärme-nutzungsfunktion (Kap. 3.5.4) und spülenden Wärmeerzeuger nach Abschaltungmit kühlerem Wasser. Dadurch werdenBereitschaftsverluste am Wärmeerzeugerfast vollständig eliminiert.

3.9.4 Abgasverluste am Wärmeerzeuger

Durch die meist gegebene Rücklauftem-peratur unter 25°C werden bei Brennwert-kesseln die Abgasverluste auf ein Mini-mum <1% reduziert. Bezogen auf den

unteren Heizwert Hu von Gas wird so auchfür die Trinkwassererwärmung ein Wirkungsgrad von 110% erreicht. Dies warbisher nur bei der Raumheizung möglich.

3.9.5 Weitere Energiesparpotenziale

Durch die beständig niedrigen System-und Rücklauftemperaturen eröffnen sichverbesserte Möglichkeiten, Niedertempe-raturwärme zu nutzen, die bisher nichtoder nur unwirtschaftlich einsetzbar war.Hierbei könnte es sich z.B. um Abwärmeaus einem Gewerbe- oder Industriebe-trieb handeln oder um Solarwärme vonSonnenkollektoren.

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Die varmeco Frischwassererwärmer bewir-ken einen wichtigen Innovationssprungbei der Erwärmung von Trinkwasser.

Sie nutzen die Wärme von Heizwasser,um Trinkwasser bedarfsgerecht im Durch-laufprinzip auf die gewünschte Tempera-tur zu erwärmen. Durch die innovativeRegelungstechnik werden stabile Tempe-raturen und große Warmwasserzapf-mengen ermöglicht, auch für zentral ver-sorgte Großanlagen. Komfort undBetriebsstabilität sind gewährleistet.

Die hygienisch bedenkliche Speicherungvon warmem Trinkwasser kann vollstän-dig entfallen, da Trinkwasser nur erwärmtwird, wenn es auch sofort verbrauchtwird. Keimen wird somit keine Zeit gelas-sen, um sich nennenswert vermehren zukönnen. Ohne technischen Zusatzauf-

wand wird dadurch ein hoher Hygiene-standard eingehalten und Infektions-gefahren werden erheblich reduziert.

Die äußerst effiziente Wärmeübergabevom Heizwasser an das Trinkwasser hältdie erforderlichen Heizwassertemperatu-ren auf niedrigem Niveau. Vor allem durchdie sehr niedrige Rücklauftemperaturkönnen moderne Wärmeerzeuger wieBrennwertkessel (ebenso Fernwärme,Wärmepumpen, etc.) noch deutlich bes-ser ausgenutzt werden und Wärmeverlu-ste werden insgesamt niedrig gehalten.Geringe Mehrinvestitionen können sichdurch Betriebskosteneinsparung in kur-zer Zeit amortisieren. Es eröffnen sichzudem interessante Potenziale zur Nut-zung von bisher unbrauchbarer Abwärmeoder Umweltwärme (z.B. Solarwärme),deren Erschließung wirtschaftlicher alsbisher erfolgen kann.

Die varmeco Frischwassererwärmer sindbereits zur Einsatzreife entwickelt, paten-tiert und erfolgreich in der Praxis einge-setzt. Sie werden anschlußfertig und vor-verkabelt geliefert, so daß Installationund Inbetriebnahme sehr einfach möglichsind.

Die Investitionskosten gegenüber kon-ventionellen Systemen dürften nur un-wesentlich abweichen, teilweise sogargünstiger ausfallen.

Jedem Betreiber von Trinkwasserer-wärmungsanlagen steht mit dieser neuenTechnologie ein wirksames System zurVerfügung, das die Nutzer vor gesund-heitlichen Gefahren schützt und gleich-zeitig Energie und Kosten spart.

5. Zusammenfassung

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wärme.nutzenvarmeco

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