Fachgerechte Auslegung von Frischwasserstationen
Hygienische und normenkonforme Warmwasserversorgung
Frischwasserstationen spielen eine immer größere Rolle bei der Warmwasserversorgung, sowohl in Mehrfamilienhäusern als auch Nichtwohngebäuden. Eine genaue Analyse des Bedarfs und die Berücksichtigung der Wärmequelle sind essenziell, um die optimale Funktion und Effizienz der Frischwasserstationen sicherzustellen. Ebenso müssen bei der Planung die Auslegung, Normenkonformität, Steuerung und Koordination berücksichtigt werden.
Frischwasserstationen sind weiterhin im Trend: Rund 91.500 Stück wurden 2023 laut dem Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH) verkauft, was einem Plus von 14 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Für TGA-Ingenieure und Fachplaner spielen die kompakten Geräte bei der Warmwasserversorgung von Mehrfamilienhäusern und größeren Gebäuden oft eine wichtige Rolle, denn Frischwasserstationen punkten mit einigen handfesten Vorteilen: Anstelle einer eigenen Warmwasserbevorratung nutzen sie stattdessen die im Pufferspeicher gespeicherte Heizenergie, um über einen integrierten Wärmetauscher bedarfsgerecht – und damit besonders hygienisch – Warmwasser im Durchlaufprinzip zu erzeugen. Das kann bspw. bei Heizungsanlagen sinnvoll sein, die aus Effizienzgründen nur niedrige Vorlauftemperaturen liefern.
Durch die Trinkwasserbereitung mit einer Frischwasserstation lässt sich zudem der Nutzungsgrad einer thermischen Solaranlage erhöhen: Wird die Wärme für das Trinkwasser direkt dem Solarspeicher entnommen, senkt das die Temperatur des Rücklaufs zum Kollektor und die solare Auslastung steigt. Außerdem sind moderne Frischwasserstationen in der Zapfleistung den meisten Gasdurchlauferhitzern deutlich überlegen. Sie besitzen eine Pumpe, um die Wärmemenge aus dem Pufferspeicher zu fördern. Elektronisch geregelt arbeiten sie auch mit Schichtladespeichern optimal zusammen. Frischwasserstationen lassen sich ebenfalls als Kaskade ausführen. Über Verrohrungssets können bspw. gleiche Einzelstationen verbunden werden – bei größeren Zapfungen werden dann zusätzliche Frischwasserstationen zugeschaltet.
Adäquate Planung
Um die Vorteile einer Frischwasserstation auszuschöpfen und eine zuverlässige und effiziente Warmwasserbereitung sicherzustellen, kommt es auf eine fachgerechte Auslegung an. TGA-Ingenieure und Fachplaner können hierfür auf Normen sowie auf Hilfsmittel der Hersteller zurückgreifen. Grundsätzlich empfiehlt es sich, Frischwasserstationen schrittweise auszulegen. Dazu bietet sich folgende Herangehensweise für die Größenbestimmung der Warmwasserbereitung an: Bedarf analysieren, Besonderheiten der Wärmequelle berücksichtigen, Regelung und Regelungsverhalten beachten, Verfahren zur Auslegung bestimmen (hierfür gibt es mehrere, das geeignete Verfahren richtet sich nach den praktischen Gegebenheiten) und zuletzt die Auslegung.
Schritt 1: Bedarf analysieren
Hier sind zunächst die grundsätzlichen Gegebenheiten zu erfassen: Außer den allgemeinen Angaben zum Objekt sind auch Daten zur Aufstellsituation, Regelung und Art der Beheizung nachzuvollziehen. Außerdem wird erfasst, ob ein Speicher für ein Wohngebäude, ein wohnungsähnliches Gebäude, einen Industriebetrieb, ein Schwimmbad oder für eine Sporteinrichtung auszulegen ist. Aus den erfassten Daten ergeben sich unterschiedliche Verfahren zur Speicherauslegung. Als weitere Möglichkeit lassen sich mit einer Messwertaufzeichnung der Warmwasser-Spitzenvolumenstrom und die Zapfdauer erfassen. Besonders in großen Objekten und bei speziellen Nutzungsarten ist das sinnvoll.
Schritt 2: Besonderheiten der Wärmequelle
Mögliche Wärmequellen für einen Pufferspeicher mit Frischwasserstation sind:
Heizkessel
Wärmepumpe
Fernwärme
Solarenergie
Elektrische Energie
Weil für Systeme mit Frischwasserstationen ein Pufferspeicher eingesetzt wird, bieten sich besonders Festbrennstoffkessel und Solaranlagen an. Diese Wärmeerzeuger werden oft schon mit Pufferspeichern betrieben. Eine für den Sommerbetrieb vorgesehene Elektro-Zusatzheizung kann möglicherweise ein höheres Speichervolumen erforderlich machen, weil besonders bei größeren Anlagen die Kesselleistung erheblich über der Elektro-Anschlussleistung des Elektro-Heizeinsatzes liegt.
Schritt 3: Regelung und Regelungsverhalten beachten
Zur Auswahl der Regelung sollten Ingenieure und Planer klären, ob ein Rücklauftemperaturbegrenzer vorgeschrieben ist und ob alle notwendigen Einbaumöglichkeiten am ausgewählten Speicher vorhanden sind. So reduziert ein Rücklauftemperaturbegrenzer in der Regel die Nachheizleistung, wodurch wiederum ein größeres Speichervolumen erforderlich werden kann.
In einem Heizsystem mit Frischwasserstation müssen im Betrieb zwei Temperaturen geregelt werden: die Warmwasserauslauf- und die Pufferspeichertemperatur. Die Warmwasserauslauftemperatur muss auch bei stark schwankenden Zapfmengen konstant geregelt werden – das wird über eine Drehzahlregelung der Pumpe erreicht. Die Regelung der Pufferspeicherbeheizung lässt sich wie beim Speichersystem oder über eine Laderegelung – ähnlich wie beim Speicherladesystem – mit Ein- und Ausschaltfühler umsetzen.
Schritt 4: Verfahren zur Auslegung festlegen
Es gibt mehrere Normen mit unterschiedlichen Schwerpunkten, die für TGA-Ingenieure und Fachplaner bei der Auslegung einer Frischwasserstation hilfreich sein können:
DIN 4708 „Zentrale Wassererwärmungsanlagen; Begriffe und Berechnungsgrundlagen“
Die Norm unterstützt bei der Auslegung für gemischt belegte Wohngebäude. Dazu wird eine Bedarfskennzahl N ermittelt.
DIN EN 12831-3:2017-09 „Energetische Bewertung von Gebäuden - Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Teil 3: Trinkwassererwärmungsanlagen, Heizlast und Bedarfsbestimmung“
Die europäische Norm beschreibt ein Verfahren zur Berechnung der Leistung und des Speichervolumens von Anlagen zur Trinkwassererwärmung. In der Norm sind Zapfprofile für verschiedene Objektarten aufgeführt. Das Verfahren ist aufwändiger als in der DIN 4708, kann aber genauere Ergebnisse liefern.
DIN 1988-300 „Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 300: Ermittlung der Rohrdurchmesser; Technische Regel des DVGW“
Über die DIN 1988-300 kann der Rohrdurchmesser berechnet werden. Aus der Summe der Einzeldurchflüsse der Warmwasserzapfstellen (Summendurchfluss) wird ein Spitzenvolumenstrom (Spitzendurchfluss) ermittelt. Die Norm eignet sich deshalb auch, um eine Frischwasserstation auszulegen. Die Umrechnung erfolgt über Faktoren in Abhängigkeit des Gebäudetyps. Es sind mehrere Gebäudetypen aufgeführt, vom Wohnhaus bis zum Seniorenheim. In Wohngebäuden ergeben sich gewöhnlich höhere Spitzenvolumenströme als bei der Auslegung nach DIN 4708.
DIN 18032 „Sporthallen - Hallen und Räume für Sport und Mehrzwecknutzung - Teil 1: Grundsätze für die Planung“
In diesen Grundsätzen für die Planung und den Bau von Sporthallen sind auch Empfehlungen für die Auslegung der Warmwasserversorgung enthalten.
VDI 6002 Blatt 1 und 2 „Solare Trinkwassererwärmung - Allgemeine Grundlagen - Systemtechnik und Anwendung im Wohnungsbau“
Die VDI 6002 wurde für die Auslegung von Solaranlagen zur Warmwasserbereitung erarbeitet. Behandelt werden schwerpunktmäßig Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung für Mehrfamilienhäuser mit Kollektorflächen von mehr als 20 m². Blatt 2 legt den Fokus auf den Nicht-Wohnungsbau, bspw. auf Studentenwohnheime und Krankenhäuser.
Schritt 5: Auslegung – am Beispiel der Bedarfskennzahl N nach DIN 4708
Die Auslegung einer Frischwasserstation ist abhängig vom Spitzenvolumenstrom. Wenn gemessene Werte vorliegen, sollten Planer diese verwenden. Bei Mehrfamilienhäusern lässt sich die Norm DIN 4708 „Zentrale Wassererwärmungsanlagen; Begriffe und Berechnungsgrundlagen“ anwenden. Sie unterstützt bei der Auslegung eines Speichers oder Speicherladesystems für gemischt belegte Wohngebäude. 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 brauchen. Dies hat eine lange Bedarfsperiode mit relativ kleinen Bedarfsspitzen zur Folge – Grundlage für den Gültigkeitsbereich der DIN 4708 ist somit die geringe Wahrscheinlichkeit eines gleichzeitigen Spitzenbedarfs der Hausbewohner. Für Anlagen mit längeren Spitzenbedarfszeiten, etwa in Hotels, kann diese Norm nicht angewandt werden.
Bedarfskennzahl N: Einheitswohnung als Basis
Zur Auslegung wird eine Bedarfskennzahl N ermittelt, diese wird später benötigt, um einen geeigneten Speicher für die Warmwasserbereitung auszuwählen. Die Bedarfskennzahl besagt, dass der Warmwasserbedarf des berechneten Gebäudes dem N-fachen Bedarf einer Einheitswohnung entspricht. DIN 4708 ordnet dieser Einheitswohnung die Bedarfskennzahl N = 1 zu. Zur Einheitswohnung gehören vier Räume, in denen 3,5 Personen wohnen und eine Normalbadewanne mit 140 l Fassungsvermögen. Nach den Richtwerten für den Zapfstellenbedarf wv ergibt sich daraus ein Energiebedarf zur Warmwasserbereitung von 3,5 × 5.820 Wh = 20.370 Wh. Der Bedarfskennzahl N ist ein Spitzenvolumenstrom für die Dauer von zehn Minuten hinterlegt, auf der Basis lässt sich auch eine Frischwasserstation dimensionieren. Sie ergibt sich u. a. aus der Zahl der Wohneinheiten, deren Belegung und Ausstattung – die Gleichung dazu lautet (N = Bedarfskennzahl, Σ = Summe, n = Zahl der Wohnungen, p = Zahl der Personen pro Wohnung, v = Zahl der Zapfstellen, wv = Zapfstellenbedarf):
N = Σ (n•p•v•wv)/3,5 • 5820
DIN 4708 liefert entsprechende Tabellen und Vordrucke (Formblätter), um die Bedarfskennzahl N zügig in der Praxis zu berechnen. Um die Bedarfskennzahl zu ermitteln, können auch Beispielfälle nach DIN 4708 zu Hilfe genommen werden. Der jeweilige Spitzenvolumenstrom (über 10 Minuten) lässt sich ebenfalls ablesen. Dieser bezieht sich auf eine Austrittstemperatur von 60 °C an der Frischwasserstation. Bei abweichenden Bedingungen sollte die Bedarfskennzahl N bspw. mit einem Simulationsprogramm ermittelt werden.
Mit der Bedarfskennzahl N zur Leistungskennzahl NL
Mit der ermittelten oder berechneten Bedarfskennzahl N lassen sich dann Speichertyp und -größe anhand der Leistungskennzahl NL auswählen. Diese Leistungskennzahl gibt der Hersteller für seinen Speicher an. Die Leistungskennzahl des Warmwasserspeichers NL muss mindestens so groß sein wie die Bedarfskennzahl N. Erfahrungen aus der Praxis haben gezeigt, dass im Bereich kleiner Leistungskennzahlen der Speicher so gewählt werden sollte, dass bei gleicher Bedarfs- und Leistungskennzahl die nächstgrößere Speichergröße zu wählen ist. Die Frischwasserstation muss die Spitzenzapfleistung erbringen, die sich aus der ermittelten Bedarfskennzahl ergibt. Für den Betrieb einer Frischwasserstation ist außer der Temperatur im Pufferspeicher auch das Volumen des Bereitschaftsteils im Pufferspeicher wichtig. Dieses hängt von den Zapfspitzen, aber auch von der zur Verfügung stehenden Nachheizungsleistung des Heizkessels und von der Pufferspeichertemperatur ab. Um das Bereitschaftsvolumen auszulegen und nicht manuell berechnen zu müssen, bieten Hersteller ebenfalls entsprechende Tabellen als Auswahlhilfe an. Auch Simulationsprogramme leisten hierfür wertvolle Dienste.
Verschiedene Vorlauf- und Warmwassertemperaturen
Für die Auslegung der Frischwasserstation ist außer dem Spitzenvolumenstrom auch die Vorlauftemperatur aus dem Pufferspeicher (zur Versorgung der Frischwasserstation) wichtig. Als Austrittstemperatur aus der Frischwasserstation ist nach DVGW-Arbeitsblatt W551 eine Warmwassertemperatur von mindestens 60 °C einzuhalten, wenn der Inhalt der längsten Warmwasserleitung 3 l überschreitet. Je niedriger die Vorlauftemperatur ist, desto niedriger ist der maximale Spitzenvolumenstrom der Frischwasserstation. Anhand von Frischwasserstationen-Kennlinien können TGA-Ingenieure und Fachplaner sehen, wie weit sich in Abhängigkeit der Zapfmenge die Temperatur im Pufferspeicher (Bereitschaftsteil) reduzieren lässt, um die gewünschte Warmwassertemperatur zu erreichen. Mit den Grafiken lässt sich so für den gewünschten Anwendungsfall die optimale Frischwasserstation auswählen.
Ein Beispiel: Für ein Mehrfamilienhaus sind folgende Werte gegeben: Bedarfskennzahl N = 7,9 (Volumenstrom 26 l/min), Warmwassertemperatur 60 °C. Gesucht ist eine geeignete Frischwasserstation für die Vorlauftemperatur 70 °C und für die Vorlauftemperatur 65 °C. Für die Frischwasserstation „FS27/3“ von Buderus liegt eine Grafik zum Temperaturverhalten vor
(s. Bild 3). Daran ist abzulesen, dass sich die Frischwasserstation bei 70 °C Vorlauftemperatur (und der gegebenen Warmwassertemperatur von 60 °C) einsetzen lässt (s. Bild 3, Markierung 1). Die Zapfleistung liegt hier bei 27 l/min. Bei 65 °C Vorlauftemperatur wird mit diesem Modell dagegen nur eine Zapfleistung von etwa 22 l/min erreicht (s. Bild 3, Markierung 2). Hierfür wäre somit anhand der weiteren Schaubilder in den Unterlagen ein anderes Gerät auszuwählen.
Anlagenbeispiel für ein Mehrfamilienhaus
In einem Mehrfamilienhaus mit etwa zehn Wohneinheiten wird eine Frischwasserstation eingesetzt (s. Bild 4). Weitere Komponenten des Heizsystems sind eine Wärmepumpe und ein Pufferspeicher. Die Wärmepumpe wärmt effizient den unteren Pufferspeicherbereich vor, die Nachheizung im oberen Speicherbereich wird elektrisch über einen Elektroheizstab realisiert. Der Rücklauf der Frischwasserstation wird temperaturabhängig umgeschaltet. Bei Zapfbetrieb geht der Rücklauf unten in den Pufferspeicher und bei ausschließlichem Zirkulationsbetrieb geht der warme Rücklauf in den oberen Bereitschaftsteil.
Fazit
Frischwasserstationen ermöglichen eine zuverlässige und effiziente Warmwasserbereitung. Für TGA-Ingenieure und Fachplaner lohnt es sich, bei der Auslegung auf Normen und bzw. oder Hilfsmittel der Hersteller zurückzugreifen und auf ein schrittweises Vorgehen zu setzen, angefangen bei einer umfassenden Bedarfsanalyse. Das senkt den Aufwand bei der Dimensionierung und stellt eine komfortable Warmwasserbereitung sicher.
