Hygienische Trinkwassererwärmung

DIN 4708

Das Dimensionierungsverfahren der DIN 4708 definiert den Wärmebedarf in der Bedarfskennzahl N, die durch die Anzahl der Personen je Wohnung und die sanitäre Ausstattung bestimmt wird. Die Bedarfskennzahl N = 1 ist eine Einheitswohnung, die als Vierzimmerwohnung mit 3,5 Personen und einer sanitären Ausstattung, bestehend aus einer Badewanne, einem Waschtisch und einer Küchenspüle, definiert ist. Weichen Wohnungen aufgrund der Belegung oder der Ausstattung von der Einheitswohnung ab, müssen diese in Einheitswohnungen umgerechnet werden. Der zu deckende Wärmebedarf des Trinkwassererwärmers entspricht dann dem n-fachen einer Einheitswohnung. Des Weiteren beschreibt die DIN 4708 Teil 3 ein Verfahren zur Leistungsprüfung von Trinkwassererwärmern. Mit dem Verfahren kann überprüft werden, wie viele Einheitswohnungen der jeweilige Trinkwassererwärmer versorgen kann. Das Ergebnis wird in der Leistungskennzahl N_L angegeben. Um den Bedarf eines Gebäudes abdecken zu können, muss die Bedingung N_L ≥ N erfüllt sein.

DIN EN 12831-3

Um Wärmemengen gebäudetypisiert ermitteln zu können, wählt die DIN EN 12831-3 einen anderen Ansatz. Sie eröffnet hiermit die Möglichkeit, Anlagen zur Trinkwassererwärmung präziser auszulegen und energieeffizienter sowie wirtschaftlicher betreiben zu können.

Die Ermittlung des Bedarfs erfolgt über Bedarfsprofile und Tageswärmebedarfe an erwärmtem Trinkwasser. Sie basiert auf der Tatsache, dass sich in Objekten gleicher Nutzungsart die Höhe der Bedarfsspitzen als auch die Summe der Wärmemengen über einen Tag verteilt stark ähneln. Aus diesem Grund sind Bedarfs­profile einer bestimmten Nutzungsart auf andere Objekte mit derselben Nutzungsart übertragbar. Dies wird beispielhaft an Bild 1 verdeutlicht. Es zeigt die Bandbreite des stündlichen Tageswärmebedarfs von vier Seniorenheimen.

Es ist zu erkennen, dass die Abweichung der stündlichen Anteile des Tageswärmebedarfs maximal 15 % beträgt. Ist der Tageswärmebedarf eines weiteren Objekts gleicher Nutzung bekannt, kann über die prozentuale Verteilung des Bedarfsprofils der Bedarf für ein weiteres Objekt ermittelt werden. Der Tageswärmebedarf eines Gebäudes kann über sogenannte Bezugsgrößen ermittelt werden, welche aus messtechnischen Untersuchungen oder Statistiken hervorgehen und in gängiger Literatur oder dem Anhang der Richtlinie zu finden sind. Bezugsgrößen geben den Warmwasser-Tagesverbrauch bezogen auf eine definierte Größe an. Sie werden in personen- und sachbezogene Bezugsgrößen unterschieden. Personenbezogene Bezugsgrößen können sowohl der Warmwasserverbrauch pro Bett in einem Krankenhaus oder Seniorenheim als auch der Warmwasserverbrauch pro Person in einer Wohnung sein. Ein Beispiel für eine sachbezogene Bezugsgröße ist der Warmwasserverbrauch für eine Mahlzeit in einer Kantine oder einem Restaurant. Durch die Multiplikation einer Bezugsgröße mit der Anzahl der vorhandenen Bezugsgrößen wird der Tageswärmebedarf ermittelt. Wenn dieser Wert mit den stündlichen Anteilen des Tageswärmebedarfs eines bestehenden Bedarfsprofils auf einen Tag verteilt wird, entsteht ein Bedarfsprofil für ein neues Objekt. Zum Erscheinungsdatum des Entwurfs dieser Norm sind keine bzw. sehr wenige Bedarfsprofile frei verfügbar. Daher kann es erforderlich sein, eigenständig Daten messtechnisch zu erfassen oder die Hilfe von Herstellern in Anspruch zu nehmen, die bereits Bedarfsprofile erstellt haben.

Erstellung von Bedarfsprofilen

Um repräsentative Messdaten zu erlangen, wird ein Messzeitraum von mindestens 14 Tagen empfohlen. So wird jeder Wochentag doppelt erfasst, und es können ggf. Unregelmäßigkeiten im Verbrauch erkannt werden. In Verbindung mit Durchfluss-Trinkwassererwärmern ist bei der Messwertaufnahme die zeitliche Ablagerate der Messgrößen von entscheidender Bedeutung. Werden die Messwerte über einen zu langen Zeitraum gemittelt, fällt die Dämpfung der Messwerte zu stark aus und die Übertragungsleistung des Durchfluss-Trinkwassererwärmers wird demzufolge zu gering eingeschätzt. Werden die Messwerte im Gegensatz sekündlich ausgewertet, sind sehr hohe Bedarfsspitzen zu erwarten. Die Übertragungsleistung des Durchfluss-Trinkwassererwärmers fällt somit sehr hoch aus und eine Überdimensionierung der Anlage ist die Folge.

Um die Überdimensionierung von Durchfluss-Trinkwasser­erwärmern zu vermeiden, hat sich in der Praxis für Großanlagen (Krankenhäuser, Altenheime, Hotels) die Bildung des Mittelwertes über einen Zeitraum von 60 s bewährt. Hierdurch hervorgerufene Absenkungen der Austrittstemperatur des Trinkwassererwärmers im Minutenbereich sind nach DIN 1988-200:2011-05 Abs.: 9.7.2.2 tolerierbar. Der Nutzer nimmt diese kurzzeitigen Absenkungen aufgrund der Pufferwirkung des Rohrnetzes nicht wahr.

Diese Mittelung der Messwerte hat keinen Einfluss auf die insgesamt benötigte Wärmemenge. Somit bleibt die Größe des Pufferspeichers unverändert. Für die Weiterverwendung der Messdaten wird das Vorhandensein verschiedener Angaben zum Gebäude vorausgesetzt. Die Auslastung des Gebäudes während der Messung ist von großer Bedeutung. Zudem ist die Wahl einer geeigneten Bezugsgröße, welche übertragbar auf andere Objekte gleicher Nutzungsart ist, essentiell für die weitere Verwendung des Bedarfsprofils. Ist das Objekt während des Messzeitraums nicht zu 100 % ausgelastet, muss das Bedarfs­profil angepasst werden. Des Weiteren ist der Volumenstrom der Trinkwasserzirkulation nicht zu vernachlässigen. Er muss bei jedem Gebäude separat ermittelt werden, da er von der jeweiligen Rohrleitungsführung und dem Gebäude abhängig ist.

Dimensionierung einer Frischwasserstation mittels gemessener Bedarfsprofile

Die messtechnisch ermittelten Daten lassen sich grafisch in Wärmeschaubildern darstellen (Bild 2). Hierbei wird die notwendige Wärmeenergie für die Trinkwassererwärmung kumuliert über einen Zeitraum von 24 h als Bedarfskennlinie aufgeführt. Da die Wärmequelle in der Regel zur Deckung der Spitzenlasten über keine ausreichende Leistung verfügt, kommen Wärmespeicher zum Einsatz. Die Nachlade­leistung der Wärmequelle und die gespeicherte Wärmemenge im Energiespeicher stehen in Korrelation. Verringert sich das Volumen des Energiespeichers muss die Nachladeleistung der Wärmequelle entsprechend erhöht werden und umgekehrt. In der Praxis muss der Fachplaner einen Kompromiss zwischen der Größe des Energiespeichers und der Leistung der Wärmequelle finden.

Ein zu geringer Energiespeicher bedeutet eine zu hohe Taktung der Wärmequelle, welche sich nachteilig auf die Lebensdauer und den effi­zien­ten Betrieb der Wärmequelle auswirken. Werden hingegen die Nachladeleistung reduziert und die gespeicherte Wärmemenge vergrößert, erhöhen sich die Bereitschaftsverluste und die Investitionskosten. Zudem ist die Größe des Energiespeichers häufig durch Einbringöffnungen und Stellflächen begrenzt.

Bild 2 zeigt ein Wärmeschau­bild, in dem die Kapazität des Energiespeichers in einem ausgewogenen Verhältnis zur Leistung der Wärmequelle steht. Der senkrechte Abstand zwischen der Angebots- und der Bedarfskennlinie bildet die benötigte Wärmekapazität des Energiespeichers (Zustand 3). Aus der positiven Steigung der Angebotskennlinie kann die effektive Nachladeleistung der Wärmequelle entnommen werden (Zustand 8). Die Wärmeverluste des Energiespeichers und der Verteilleitungen außerhalb der Nachladung sorgen für eine negative Steigung der Angebotskennlinie (Zustand 5). Im Gegensatz zu Trinkwasserspeichern ist in Energiespeichern eine Schichtung ausdrücklich erwünscht. In Zustand 4 ist der Pufferspeicher maximal entladen. An diesem Punkt stellt der Abstand zwischen der Angebots- und der Bedarfskennlinie die niedrig temperierte, für die Trinkwassererwärmung nicht nutzbare Schicht des Ener­gie­spei­chers dar.

Kaskaden und die Trinkwasserhygiene

Nutzerprofile von PWH-Systemen sind, über den Tag verteilt, durch stark schwankende Verbräuche geprägt. Der Spitzenwärmebedarf wird in den meisten Fällen nur über einen verhältnismäßig kleinen Zeitraum benötigt. Um sowohl Phasen hohen als auch niedrigen Verbrauchs abdecken zu können, werden häufig mehrere zentrale Erwärmungseinheiten in einer Kaskade zusammengeschaltet. Durch die Kaskadenschaltung wird sowohl bei kleinen Volumenströmen, wenn etwa nur eine Erwärmungseinheit in Betrieb ist, als auch bei hohen Spitzenvolumenströmen, wenn alle Erwärmungseinheiten in Betrieb sind, eine hohe Regelgüte erreicht. Ebenfalls werden durch die Kaskadenschaltung die Druckverluste des Trink­was­ser­erwär­mers reduziert. Kaskadenschaltungen sollten auf mögliche negative Auswirkungen auf die Trinkwasserhygiene überprüft werden. Gehen einzelne Erwärmungsmodule über längere Zeiträume mit nur geringen Entnahmevolumenströmen (z. B. Schule in Ferienzeit) nicht in Betrieb, kommt es zu Stagnation in diesen Modulen und ihren Zuleitungen. Moderne Trinkwassererwärmer, wie das Kemper-„ThermoSystem KTS“, verfügen über eine Kaskadenrotation (Bild 3). Die kaskadierten Module werden dabei automatisch wechselnd in Betrieb genommen um Stagnation zu vermeiden.

 

Fazit

Die Dimensionierung von Trinkwassererwärmungssystemen stellte für Fachplaner häufig eine Herausforderung dar, denn bislang gab es mit der DIN 4708 nur ein Dimensionierungsverfahren für Wohngebäude. Mit der DIN EN 12831-3 erhält der Fachplaner ein Werkzeug, um auch Trinkwassererwärmer für Gebäude anderer Nutzungsart zu dimensionieren. Die Basis dieser Richtlinie stellen Bedarfsprofile dar, die für verschiedene Gebäudetypen verwendet werden können. Da diese noch nicht in ausreichendem Umfang vorhanden sind, kann es notwendig sein, selber Messungen durchzuführen. Unternehmen wie Kemper verfügen bereits über eine große Sammlung an Bedarfsprofilen für verschiedenste Nutzungsarten und unterstützen den Fachplaner bei der Auslegung der Anlagen.

Literatur

DIN 1988-200:2012-5 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe; Technische Regel des DVGW Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden DIN EN 12831-3 Heizungsanlagen und wassergeführte Kühlanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Energieanforderungen und Nutzungsgrade der Anlagen – Teil 3: Trinkwassererwärmung, Heizlast und Bedarfsbestimmung; Deutsche Fassung prEN 12831-3:2014 DIN EN 15316-3-1:2008-06 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Energieanforderungen und Nutzungsgrade der Anlagen – Teil 3-1: Trinkwassererwärmung, Charakterisierung des Bedarfs (Zapfprogramm) DIN 4708-2:1994-04 Zentrale Wassererwärmungsanlagen; Regeln zur Ermittlung des Wärmebedarfs zur Erwärmung von Trinkwasser in Wohngebäuden DIN 4708-3:1994-04 Zentrale Wassererwärmungsanlagen; Regeln zur Leis­tungsprüfung von Wassererwärmern für Wohngebäude Spöler, Thomas: Messtechnische Erfassung und nutzungsabhängige Auswertung von Warmwasserbedarfsprofilen (August 2013) Kirchhoff, Timo; Diekmann, Robin: Trinkwassererwärmung auf ein Maximum reduzieren – Optimierte Dimensionierung über Bedarfsprofile, in: Fach.Journal (2015)