Trinkwassererwärmung in Nichtwohngebäuden

Die Bereitstellung von Trinkwarmwasser kann durch Kombination verschiedener Systeme und Energieträger erfolgen. Hier werden folgende Systeme mit Erdgas als Energieträger bzw. Erdgassysteme in Kombination mit Erneuerbaren Energien beschrieben:

  • indirekt beheizte Speicher
  • Frischwasserstationen
  • solare Trinkwassererwärmung
  • direkt gasbeheizte Trinkwassererwärmung
  • Wärmerückgewinnung aus Duschabwasser.

 

Indirekt beheizte Trinkwasserspeicher

Die Erwärmung des Trinkwassers im Behälter erfolgt indirekt durch das Heizungswasser. Die Aufstellung erfolgt i. d. R. unmittelbar neben dem Heizungskessel. Man unterscheidet nach der Bauform in stehende und liegende Warmwasserspeicher.


Der Kaltwasserzulauf befindet sich im unteren Teil des Speichers, die Entnahme des erwärmten Trinkwassers erfolgt am höchsten Punkt. Die Erwärmung des Trinkwassers erfolgt über einen Wärmeübertrager oder einen Doppelmantel. Der Wärmeübertrager kann im Inneren des Speichers angeordnet sein oder er ist separat, die Speicherladung erfolgt dann mit einer zusätzlichen Speicherladepumpe. Mit Speicherladesystemen sind hohe Spitzenleistungen realisierbar, wie sie z. B. bei Sportanlagen oder bei Sanitäranlagen in Industriebetrieben auftreten können. Gleichzeitig steht durch die gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Behälters (keine Kaltwasserzone) ein großes nutzbares Warmwasservolumen zur Verfügung. Durch das Fehlen einer Zone mit niedrigerem Temperaturniveau wird die Bildung von Legionellen verringert. Auf Grund des durchgängig hohen Temperaturniveaus im gesamten Speicher eignen sich diese nur bedingt für die Einbindung thermischer Solaranlagen.


Warmwasserspeicher bestehen in der Regel aus Stahl mit einer emaillierten Innenfläche oder aus rostfreiem Edelstahl, in seltenen Fällen kommen auch Kunststoffe zum Einsatz. Bei emaillierten Speichern ist ein zusätzlicher Korrosionsschutz über eine Fremdstromanode oder über eine Magnesiumanode notwendig. Die Funktion einer Magnesiumanode beruht auf der elektrochemischen Spannungsreihe. Die gegenüber dem Stahlbehälter unedlere Magnesiumanode löst sich langsam auf und führt zu einem geringen Stromfluss. Magnesiumanoden werden daher auch Opferanoden genannt, sie müssen in regelmäßigen Abständen kontrolliert und ggf. ersetzt werden. Beim alternativen Einsatz einer Fremdstromanode wird der Stromfluss durch das Anlegen einer niedrigen elektrischen Spannung erzeugt, daher entstehen zusätzlich geringfügige Betriebskosten. Speicher aus rostfreiem Edelstahl benötigen keinen zusätzlichen Korrosionsschutz, die Anschaffungskosten liegen jedoch wegen des höherwertigen Materials über denen emaillierter Behälter.


Indirekt beheizte Warmwasserspeicher gibt es in verschiedenen Größen, durch Kombination mehrerer Speicher (Speicherbatterie) ist fast jedes erforderliche Speichervolumen realisierbar. Das zu speichernde Warmwasservolumen ist abhängig vom Warmwasserbedarfv des Gewerbes und der zur Verfügung stehenden Kesselleistung. Warmwasserspeicher sind gegen Wärmeverluste gedämmt, bei größeren Speichern ist die Dämmung zur besseren Einbringung an den Aufstellort und zur Wartung abnehmbar.

 

Trinkwassererwärmung mit Pufferspeicher und Durchlauf-Wärmeübertrager

Zentrale Trinkwassererwärmung mit Pufferspeicher und Durchlauf-Wärmeübertrager (Frischwasserstationen)
Bei diesem System erfolgt die Erwärmung des Trinkwassers in einem am oder neben dem Speicher befindlichen Wärmeübertrager im Durchflussprinzip mit dem im Pufferspeicher gespeicherten Heizungswasser. Solche Systeme werden auch Frischwasserstationen genannt. Derartige Systeme ermöglichen durch die Speicherung von Heizungswasser eine zeitliche Entkopplung von Wärmeerzeugung und Warmwasserentnahme, sie werden beispielsweise in Schwimmbädern eingesetzt. Da fast kein Trinkwarmwasser gespeichert wird, verringert sich die Gefahr der Legionellenbildung. Der Anschluss einer Zirkulationsleitung ist möglich.


Trinkwassererwärmung mit zentralem Pufferspeicher und dezentralem Wärmeübertrager

Alternativ zu einem zentralen Wärmeübertrager am Heizungspufferspeicher können auch dezentrale Wärmeübertrager jeweils in den einzelnen Nutzungseinheiten vorgesehen werden. Solche Systeme finden vorrangig in Mehrfamilienhäusern Anwendung, man nennt diese Wärmeübertrager daher auch Wohnungsstationen. Im Gewerbe ist eine Anwendung eher ungebräuchlich.


Heizungspufferspeicher mit integrierter Trinkwassererwärmung

Bei diesen Speichern erfolgt die Trinkwassererwärmung durch eine innenliegende Rohrwendel, durch die das Trinkwasser im Durchfluss erwärmt wird. Zusätzlich kann im Speicher ein weiterer Wärmeübertrager, zum Beispiel zur Einbindung solarer Strahlungswärme, integriert sein.

Solarthermische Trinkwassererwärmung

Wärmeerzeuger mit Erdgas als Energieträger nutzen in Verbindung mit einer solarthermischen Anlage regenerative ,Energie zur Trinkwassererwärmung (TWE) und ggf. zur Heizungsunterstützung.


Die solare Einstrahlung ist von der Jahres- und Tageszeit, dem Standort, dem Einstrahlwinkel und den Witterungsverhältnissen abhängig. Die Abbildung zeigt die mittlere monatliche Einstrahlung je Kollektorfläche für durchschnittliche klimatische Verhältnisse in Deutschland (Standort Potsdam).

 

Eine solarthermische Anlage zur Trinkwassererwärmung besteht in Deutschland i. d. R. aus folgenden Komponenten:

  • Kollektoren: Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren
  • Solarspeicher: Bivalenter Solarspeicher oder Solarpufferspeicher
  • Solarkreis: Solarstation mit Pumpe und Ausdehnungsgefäß, Solarvor- und -rücklaufleitung, Solarflüssigkeit, Solarregler einschließlich Temperatursensoren, Wärmemengenmesser und sicherheitstechnische Einrichtungen.

 

Die Entscheidung zum Einsatz von Flach- oder Röhrenkollektoren ist vom Nutzungszweck (Höhe des Warmwasserbedarfs) und von der dafür zur Verfügung stehenden Dachfläche abhängig. Vor- und Nachteile sowie Richtwerte zum Solarertrag sind in der Tabelle angegeben. Bei Großanlagen erfolgt die Auslegung oft als Vorwärmanlage, was zu hohen spezifischen Solarerträgen und einem wirtschaftlich günstigen Betrieb führt. In Schwimmbädern ist eine Beheizung des Beckenwassers möglich, z. T. kommen dazu direkt mit Schwimmbadwasser durchflossene Absorber (z. B.: schwarze Matten, Platten oder Schläuche) zum Einsatz.

Direkt gasbeheizte Erwärmungssysteme: Speicher und Durchlauferhitzer

Die Trinkwassererwärmung erfolgt direkt im Durchflussprinzip (Gas-Durchlaufwasserheizer) oder als Speichersystem (Gas-Warmwasserspeicher oder Gas-Vorratswasserheizer). Die Beheizung kann durch Erdgas oder Flüssiggas erfolgen. Ebenso kann Bio-Erdgas eingesetzt werden, da es über die gleichen Eigenschaften wie Erdgas verfügt.


Direkt beheizte Gas-Warmwasserspeicher
werden bei größerem gleichmäßigem Warmwasserbedarf oder der gleichzeitigen Zapfung an mehreren Entnahmestellen vorgesehen. Neben dem inzwischen seltenen Einsatz in größeren Etagenwohnungen, Ein- und Mehrfamilienhäusern sind Gas-Warmwasserspeicher insbesondere in kleineren Gewerbeeinheiten mit Sanitäranlagen, Sporthallen oder in Gasstätten einsetzbar.


Bei größerem Warmwasserbedarf ist ein Zusammenschluss mehrerer Speicher zu einer Mehrspeicheranlage möglich. Zur Begrenzung der Wärmeverluste verfügen Gas-Warmwasserspeicher meist über eine sehr gute Wärmedämmung.


Moderne Geräte benötigen keinen separaten Heizraum und können unter bestimmten Bedingungen flexibel aufgestellt werden, beispielsweise in Abstell- und Mehrzweckräumen. Gas-Warmwasserspeicher verfügen über einen atmosphärischen Brenner, daher ist eine ausreichende Verbrennungsluftzufuhr notwendig. Für die Abgasabführung ist ein Schornstein erforderlich.


Gas-Warmwasserspeicher verfügen über einen hohen Normnutzungsgrad und einen geringen Schadstoffausstoß.


Gas-Durchlaufwasserheizer
erwärmen das Kaltwasser durch die Heizgase unmittelbar. Sie können dezentral sowohl zur Einzelversorgung als auch zur Gruppenversorgung
eingesetzt werden. Vorgesehen werden sie vorrangig dann, wenn kurzzeitig ein hoher Warmwasserbedarf besteht und lange Rohrleitungswege eine zentrale
Trinkwassererwärmung unwirtschaftlich machen (z. B. Teeküchen in Gewerbeeinheiten).


Die Zündung erfolgt mittels Piezozündung oder elektronisch mit direktem Strom- oder Batterieanschluss. Durch den Wegfall einer ständig brennenden Zündflamme ist eine deutliche Energieeinsparung zu verzeichnen. Gas-Durchlauferhitzer werden mit offener und geschlossener Verbrennungskammer angeboten. Bei Geräten mit offener Verbrennungskammer (atmosphärische Geräte) ist ein Anschluss an einen Schornstein erforderlich. Geräte mit geschlossener Verbrennungskammer ermöglichen eine raumluftunabhängige Betriebsweise. Die Abgase können bei diesen Geräten in Abhängigkeit von der Einbausituation durch senkrechte oder waagerechte Dachdurchführungen, durch die Außenwand sowie über Luft-Abgassysteme (LAS-Systeme) abgeführt werden.


Je nach Modell verfügen moderne Geräte über elektronische Durchflusssensoren, Wassermengenbegrenzer und Temperaturwähler. Zudem ist ein Einsatz von Thermostat- Mischbatterien und Einhebelmischern problemlos möglich. Der Gerätewirkungsgrad liegt bei etwa 85 %. Auf Grund der geringen Investitionen und niedrigen Energiekosten stellen Gas-Durchlaufsysteme eine wirtschaftliche Lösung zur Trinkwassererwärmung dar. Die Hygieneanforderungen der Trinkwasserverordnung sind mit dezentralen Geräten leicht einzuhalten.

 

Wärmerückgewinnung aus Duschabwasser

Durch eine Wärmerückgewinnung aus Duschabwasser kann der Energieverbrauch für die Trinkwassererwärmung verringert werden. Derartige Systeme sind seit Jahren insbesondere in den Niederlanden, der Schweiz, Frankreich und Kanada Stand der Technik. Auch in Deutschland werden diese Systeme zunehmend vertrieben. Eine Wärmerückgewinnung aus Duschabwasser erfolgt derzeit mit folgenden technischen Lösungen:

  • Duschrinne: Wärmeübertrager im Duschablauf integriert
  • Duschtasse: Wärmeübertrager unter der Duschtasse
  • Duschrohre: vertikales Doppelrohr mit Duschabwasser innen und Kaltwasser im Außenrohr.

In Gebäuden mit vielen Duschanlagen, wie Sporthallen, Schwimmbädern, Hotels oder Sanitäreinrichtungen von Industriebetrieben, können Duschrohre auch gebündelt werden.


Das durch das Abwasser erwärmte Kaltwasser kann auf drei verschiedene Arten eingebunden werden. Sind beim Betrieb des Wärmerückgewinnungssystems der Duschwassermassestrom und der im Wärmeübertrager vorzuwärmende
Kaltwassermassestrom gleich groß, erfolgt der Betrieb balanciert:

  • Trinkwassererwärmung mit Speicher: Vorwärmung des Kaltwassers zur Mischbatterie, nicht balancierte Betriebsweise
  • Dezentrale Trinkwassererwärmung: Vorwärmung des Kaltwassers zum Trinkwassererwärmer, balancierte Betriebsweise
  • Trinkwassererwärmung mit Speicher: Vorwärmung des Kaltwassers zum Speicher und zur Mischbatterie, balancierte Betriebsweise.

 

Die Effizienz der Wärmerückgewinnung aus Duschabwasser ist von folgenden Kriterien abhängig:

  • Eigenschaften des Wärmeübertragers: Fläche bzw. Länge, Wärmekapazität, Material etc.
  • Betriebsweise: balanciert oder nicht balanciert, Länge der Duschvorgänge
  • Duschwasservolumenstrom und Temperaturen am Wärmeübertrager.

Der Wirkungsgrad wird in Ermangelung geeigneter nationaler oder europäischer Prüfnormen durch das Prüf- und Zertifizierungsinstitut Kiwa nach NEN 7120 gemessen. Bei einem mittleren Volumenstrom von 12,5 l/min und einer balancierten Betriebsweise erzielen Standardsysteme einen Wirkungsgrad von etwa 25 % und hocheffiziente Systeme einen Wirkungsgrad von etwa 45 %.


Ein Verfahren zur Berücksichtigung der Wärmerückgewinnung aus Duschabwasser bei der energetischen Bewertung von Trinkwassererwärmungssystemen wird in DIN V 18599-8:2016-10 [4] beschrieben. In typischen Fällen können mit einer balancierten Betriebsweise etwa 15 % (Standardsystem) bis 25 % (hocheffizientes System) an Endenergie Wärme für die Trinkwassererwärmung eingespart werden. Bei nicht balancierter Betriebsweise sind die Einsparungen geringer und liegen je nach System zwischen 4 und 10 %.

 

Warmwasserverteilung

Zentral erzeugtes Trinkwarmwasser wird über ein Rohrnetz zu den Entnahmestellen verteilt. Entsprechend EnEV 2014 ist die Wärmeabgabe von Warmwasserrohrleitungen zu begrenzen. Anforderungen an die Mindest-Wärmedämmung von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sind in Anlage 5 formuliert. Werden Dämmmaterialien mit anderen Wärmeleitfähigkeiten als 0,035 W/mK eingesetzt, sind die Mindestdicken der Dämmschichten nach den anerkannten Regeln der Technik umzurechnen.


Das Warmwasserverteilnetz besteht aus Kupfer-, Kunststoff- oder Edelstahlrohren, die Dimensionierung erfolgt entsprechend DIN 1988 Teil 300: Technische Regeln für Trinkwasserinstallationen (TRWI). Beim Einsatz von Kupferrohren sind zudem die Vorgaben der DIN 50930-6:2013-10 [16] zu berücksichtigen. Eine Kupferinstallation kann demnach erfolgen, wenn der pH-Wert ≥ 7,4 ist oder wenn im Bereich von pH 7,0 bis kleiner pH 7,4 der TOC-Wert4 1,5 g/m3 nicht übersteigt. Die Angaben sind der (unentgeltlichen) Trinkwasseranalyse des Versorgers zu entnehmen. Bei einer Mischinstallation mit verschiedenen Werkstoffen ist zur Vermeidung von Lochfraß die „Fließregel“ einzuhalten. Diese besagt, dass in Fließrichtung gesehen erst der unedle Werkstoff (z. B. verzinkter Stahl) und dann der edlere Werkstoff (Kupfer, Messing) eingesetzt werden muss. Sind im Bestand Bleirohre vorhanden, sollten diese auf jeden Fall ausgetauscht werden.


Um ständig hygienisch einwandfreies Warmwasser an den Entnahmestellen zu gewährleisten, ist der Einbau von Zirkulationsleitungen oder selbstregelnden Temperaturhaltebändern vorzusehen. Dabei müssen entsprechend EnEV 2014 Zirkulationspumpen beim Einbau in Warmwasseranlagen mit selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Ein- und Ausschaltung ausgestattet werden. Bei der Bemessung der Zirkulationsleitungen muss sichergestellt werden, dass zur Vermeidung von Legionellen die Warmwassertemperatur im Zirkulationssystem um nicht mehr als 5 K gegenüber der Warmwasser-Austrittstemperatur am Trinkwassererwärmer unterschritten werden darf.