In Zukunft nur noch frisches Wasser!

Nachteile der speichergestützten Warmwasserbereitung

Auslegung

Es wird immer deutlicher, dass die speichergebundene Warmwasserbereitung entscheidende Nachteile aufweist, die dem Durch­flusssystem nicht eigen sind. Dazu gehört bereits die Pro­ble­matik der Auslegung. Aus der Raumzahl/Belegungszahl und dem sanitären Ausstattungsgrad werden Warmwasserverbrauch, Speichergröße und Nachladeleistung (Kesselzuschlag) ermittelt. Wird der Warmwasserverbrauch nach überkommenen Normen (DIN 4708) ermittelt, und die Speichergröße mit einem Sicher­heitszuschlag, bedingt durch die zur Verfügung stehende Größenstaffelung der Speicher in Schritten von ca. 250 bis 500 l, nach oben aufgerundet aus­gewählt, so bleibt die gespeicher­te Warmwassermenge für die gesamte Lebensdauer der Warmwasserbereitungsanlage überdimensioniert. Dies führt zu einem nie­drigen Warmwasser­um­schlag im System und zu Problemen mit der Trinkwasserhygiene. So kommt es in der Praxis vor, dass Liegenschaften mit Warmwasserspeichern mit 2,5 m³ Inhalt normgerecht ausgerüstet wurden (137 WE; 4 Personen; 140 l Badewanne + Spardusche, alternativ 160 l Badewanne; Waschtisch; Küchenspüle), deren Inhalt – weil diese Gebäude vor dem Abriss „leer gewohnt“ werden, nur noch einmal in der Woche umgeschlagen wird.

Ladeleistung

Um in der Heizsaison Unbehagen zu vermeiden, sind die Speicher mit einer Warmwasservorrangschaltung innerhalb von maximal 20 min aufzuladen. Dies erfordert eine thermische Leistung von 430 kW, was vom Betrag etwa dem Hausanschlusswert der Heizung entspricht.

Wärmeverluste

Speicherbehälter mit einem Warmwasserpuffer von 2,5 m³ erzeugen bedeutende Bereitschaftswärmeverluste in den Aufstellungsraum, je nach Wärmedämmstandard von 5,2 bis 13,9 kWh/d, im Mittel von 6,5 kWh/d (Bild 1).

Hinzu kommen die Wärmeverluste der Verrohrung des Wärme­speichers mit 20 %. In der Summe betragen die jährlichen Bereitschaftswärmeverluste eines 2500 l großen Speichers ca. 2,3 bis 6,1 MWh/a, im Mittel 2,9 MWh/a (Bild 2).

Thermische Desinfektion

Für eine regelmäßige Durchheizung der Speicher und des Warmwassernetzes zum Schutz vor Legionellen auf 70 °C wird eine nicht immer nur temporäre Anhebung der Vor- und Rücklauftemperaturen praktiziert. Die Rücklauftemperatur steigt in dieser Zeit bis auf 73 °C.

Aber auch der Energieverbrauch der Warmwasserbereitung selbst steigt nicht unbedeutend. Durch eine Anhebung der Warmwassertemperatur von 60 °C auf 70 °C steigt – ganz abgesehen von der Verbrühungsgefahr – der Wärmebedarf zur Erwärmung bei gleicher Zapfmenge um 20 %, die Wärmeverluste des Speichers und des Warmwasserleitungssystems an die Umgebung – um 25 % (Bild 3).

Warmwasserzirkulation

Bei einem Zirkulationswärmeverlust von 16 kW in der beschriebenen Anlage ist ein Zirkulationsvolumenstrom von 2,8 m³/h unerlässlich. Die Einbindung der Zirkulation erfolgt meist im oberen Teil des Speichers. War der Speicher mit 60 °C warmem Wasser befüllt, sinkt das schwerere Zirkulationsrücklaufwasser im Speicher nach unten und vermischt sich mit dem Speicherinhaltswasser zu im Mittel 58 °C, was zum Ansprechen des Speicherthermostats führt. Im Extremfall erfolgte bis dahin keine Warmwasserzapfung. Mit einem fest eingestellten Ladevolumenstrom von 7,5 m³/h wird der Speicher nun von oben nach unten neu aufgeladen. Dies bewirkt im Sommer eine Ladeleistung von nur 21 kW und einen Ladestrom von 1,6 m³/h, mit einer Temperaturspreizung von 71,5/60 °C.

Der hohe Volumenstrom von 7,5 m³/h führt im Speicher zu einer starken Verwirbelung und zur Bildung einer großen Mischzone, mit einer mittleren Temperatur bis 59 °C. Die Ladeleistung sinkt auf 9 kW, bei einem Durchsatz von 0,9 m³/h und einer Rücklauftemperatur von 61 °C, zum Ende des Ladeprozesses von 63 °C.

Die Temperaturen im Wärmeübertrager liegen vollständig oberhalb des Beginns der Kalkbildung. In der Folge einer möglichen Verkalkung des Wärmeübertragers steigen Primärrücklauftemperatur und -durchflussmenge weiter an.

Eine Einbindung der Zirkulationspumpe in den Ladekreis be­dingt eine Verbesserung der Speicherschichtung und eine Ab­sen­kung der Rücklauftemperatur auf nahe 55 °C. Damit ist der Lade­kreis fortwährend in Betrieb. Bei der Speicherladung führt die Vermischung von Zirkulations- und kaltem Speicherwasser vor dem Wärmeübertrager zu hohen Rücklauftemperaturen. Dies kann nur mit einem zweistufigen Ladesystem umgangen werden.

Indirekte Einbindung

Die Situation verschlechtert sich weiter, wenn die Warmwasserbereitung – wie bei vielen Versorgungsunternehmen aus Furcht vor einer inneren Leckage des Wärmeübertragers vorgeschrieben, sekundärseitig, also über einen Zwischenkreislauf erfolgt. Soll dieselbe Temperaturspreizung erhalten bleiben [1], z. B. 10 K, werden zwei Wärmeübertrager mit Zwischenkreislauf erforderlich, mit einer, im Vergleich zu einem primärseitig eingebundenen Apparat mit 6,75 m² (Bild 4, links), etwa sechsfachen Wärmeübertragungsfläche von 40 m² (Bild 4, rechts).

Aus Kostengründen wird in der Praxis meist eine größere Tem­pe­raturspreizung gewählt, was wiederum zu höheren Rücklauf­tem­peraturen führt.

Hinzu kommt der Pumpenergieaufwand von ca. 109 W für die Zwischenkreispumpe (0,27 bar; 6,65 m³/h; η = 45,8 %), deren Förderstrom an die Ladebedingungen z. B. per Drehzahlregelung angepasst werden muss (Bild 5, links).

Anstelle einer Drehzahlregelung wird – wiederum aus Kostengründen, oft eine Drosselregelung mit mechanischem Volumenstromregler gewählt. Dies führt zu einem in dem betrachteten Fall um 65 % erhöhten Strombedarf (180 W; 0,51 bar; 6,65 m³/h; η = 52,2 %)(Bild 5, Mitte). Ein konstanter Volumenstrom ist wiederum nicht in allen Betriebsfällen optimal, wie oben für den Zirkulationsbetrieb gezeigt.

Wird die Zwischenkreispumpe nicht gedrosselt, führt dies neben einem um 63 % erhöhten Strombedarf zu einem um knapp 20 % erhöhten Volumenstrom (178 W; 0,39 bar; 7,95 m³/h; η = 48,2 %)(Bild 5, rechts), und unweigerlich zu einer steigenden Rücklauftemperatur. Auch eine Beimisch- oder Einspritzschaltung zur Ein­stellung der Warm­wasser­lade­temperatur bei parallelem Heiz­betrieb führt, mit oder ohne Volumenstrombegrenzung, zu erhöhten Rücklauftemperaturen.

Folgen erhöhter Rücklauftemperaturen

In der Folge ist die speichergebundene Warmwasserbereitung die Hauptursache für überhöhte Rücklauftemperaturen in Fernwärmenetzen. Der daraus entstehende Schaden ist immens und den Verantwortlichen oft nicht bewusst. So steigt im Sommer der erforderliche Volumenstrom – bei einer Rücklauftemperatur von 70 °C gegenüber einer Normrücklauftemperatur von 50 °C, auf das 3fache, der Druckverlust auf das 7fache, der erforderliche Pumpenergieaufwand auf das 21fache (Bild 6). Auch die Wärmeverluste im Rücklauf erhöhen sich – bei diesen Bedingungen – auf 150 % (Bild 7). In der Geo­thermie verringert sich die Ergie­big­keit einer Bohrung auf 65 % (Bild 8).

Der Nutzen einer gezielten Absenkung der Fern­wär­me­rücklauftemperatur

Während die speichergebunde­ne Warmwasserbereitung verantwortlich ist für die überhöhten Rücklauftemperaturen, ist in­dessen das aufzuwärmende Lei­tungswasser mit 5 bis 15 °C we­sent­lich kälter. Die innovativen Hausanschlussstationen und Frischwassermodule von Thermo Integral lösen diesen Widerspruch und halten die von den meisten Versorgungsunternehmen geforderte Normrücklauftemperatur von 50 °C, bzw. unterschreiten diese nochmals deutlich (Bild 9).

Der Nutzen niedriger Rück­lauf­temperaturen ist wiederum enorm: So sinken bei einer Rück­lauftemperatur von 35 °C im Fern­wär­menetz der Pum­penergie­aufwand auf ein Drittel und die Rücklaufwärmeverluste um mehr als ein Drittel, und die geothermische Ergiebigkeit steigt um mehr als ein Viertel – gegenüber einer Rücklauftemperatur von 50 °C (Bilder 6 bis 8). Senkt man gar die Rücklauftemperatur von 70 °C auf 35 °C, so verändern sich diese Parameter entsprechend auf P_elt = 1,6 %, Q_V RL = 42 % und Q_geoth = 194 %.

Beispiel Geothermie

Am Beispiel einer geothermi­schen Bohrung soll der ökonomi­sche Effekt der Absenkung der Rücklauftemperaturen deutlich werden. Eine Hochtemperatursonde mit einer Temperatur von 110 °C hat eine Ergiebigkeit von 30 l/s geothermischer Sole. Je nach Rücklauftemperatur variiert die thermische Leistung der Bohrung von 4,5 MW bei 70 °C über 6,8 MW bei 50 °C bis 8,6 MW bei 35 °C.

Gelingt es, mit der geothermischen Grundlastenergie Erdgas zu einem Preis von 60 €/MWh für einen „Spitzenlastkessel“ mit einem Wirkungsgrad von 92 % zu ersetzen, so erlaubt eine Absenkung der Rücklauftemperatur von 70 °C auf 50 °C eine jährliche Einsparung von 0,277 Mio. €/a, von 50 °C auf 35 °C – von 0,208 Mio. €/a, und von 70 °C auf 35 °C – von insgesamt 0,486 Mio. €/a – zuzüg­lich der eingesparten Umwälzpumpenantriebsenergie und Rück­laufwärmeverluste sowie weiterer erforderlicher Betriebs­kos­ten für ein Heizhaus.

Bei einer monovalenten Versorgung lassen sich mit der durch niedrigere Rücklauftemperaturen zusätzlich gewonnenen geothermischen Energie weitere 15 bzw. 26 AGFW-Durchschnittskunden mit einem jährlichen Wärmebedarf von 288 MWh/a und einer thermischen Anschlussleistung von 162 kW [3] vollständig versorgen, also anstelle von 28 dann 42 bzw. 53 durchschnittliche Wärmekunden, noch ohne Berücksichtigung einer Gleichzei­tig­keit von weniger als 100 %, verbunden mit einer Minderung der CO₂-Emissionen um 1128 bzw. 1975 t/a.

Der jährliche Mehrertrag be­trägt, bei einem geothermi­schen Wärmepreis von 45 €/MWh, bei einer Absenkung der Rücklauftemperatur von 70 °C auf 50 °C – 0,191 Mio. €/a, von 50 °C auf 35 °C – 0,144 Mio. €/a, und von 70 °C auf 35 °C – von zusammen 0,335 Mio. €/a. Dies sind umgerechnet auf jede der HAST pro Jahr 4500 €/a (70 ➝ 50 °C; 42 HAST), 2700 €/a (50 °C ➝ 35 °C; 53 HAST), bzw. 6300 €/a (70 °C ➝ 35 °C; 53 HAST). Damit lässt sich der außerplanmäßige Austausch aller vorhandenen Hausanschlussstationen gegen fortschrittliche Geräte in wenigen Jahren amortisieren.

Nicht nur für die Geothermie, auch für jede andere Wärmeversorgungsanlage, ob mit Kraft-Wärme-Kopplung aus BHKW oder Gasturbinen-GuD, ob mit Brennwertkessel, Biomasseheizwerk, Solarthermie- oder Wärmepumpenanlage – niedrige Rücklauftemperaturen wirken sich stets ähnlich positiv aus.

Eine große Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf ermöglicht neben niedrigen Heizmedienumwälzmengen und geringem Pumpenergieaufwand auch kleinere und damit kostengünstigere Nennweiten der Hausanschlüsse. Niedrige Rücklauftemperaturen verringern die thermisch bedingten Spannungen in den Anschlussleitungen und sie verbessern nicht zuletzt den Wirkungsgrad der Energieumwandlung im Heiz(kraft)werk. So führen tiefere Fernwärmerücklauftemperaturen bekanntlich zu einem niedrigeren Gegendruck im Kondensator und so zu einer höheren Elektroenergieauskopplung im Dampfteil. Als Faustwert gilt hier ca. +1 % zusätzliche elektrische Leistung bei -1 K Rücklaufauskühlung.

Kurz – eine Absenkung der Rücklauftemperaturen führt zu einer Erhöhung der Energieeffizienz vorhandener und neu zu errichtender (Kraft-)Wärmeversorgungsanlagen. Viele Versorgungs­unternehmen haben bereits erkannt, dass für ihr zukünftiges Be­ste­hen die Erzielung niedriger Rücklauftemperaturen essentiell ist, und honorieren die Einhaltung niedriger Rücklauftemperaturen durch ihre Kunden mit rabattierten Wärmetarifen.

FWM und HAST mit besonders abgesenkten Rücklauftemperaturen

Die Frischwassermodule (FWM) „Waleo“ und Hausanschlusstationen (HAST) der Firma Thermo Integral zeichnen sich aus durch besonders abgesenkte Rücklauftemperaturen. An einer Referenzanlage einer Kompakt-HAST in Ulm wurden von dem Versorger FUG im Januar 2012 durchschnittliche Rücklauftemperaturen von 29,5 °C gemessen (Bild 9). Zudem verfügen die Anlagen über außerordentlich kompakte Abmessungen. Mit einer Grundfläche von 0,67 m x 0,8 m = 0,54 m² und einer Höhe von 1,2 m finden die HAST praktisch in jeder noch so kleinen Nische einen Stellplatz, und dies bei Anschlussleistungen bis ca. 500 kW.

Die FWM „Waleo“ haben eine nochmals halbierte Tiefe und Aufstellungsfläche (0,67 m x 0,4 m = 0,27 m²)(Bild 10).

Mehrere grundlegende Innovationen führten schrittweise zu diesem Ergebnis.

Auch wenn ein Schaden an Wärmeübertragern außerordentlich selten auftritt, kann dieser so zuverlässig signalisiert und schnell behoben werden. Die Primäreinbindung bewirkt einen wesentlich kleineren Wärmeübertrager und es entfällt die Zwischenkreispumpe mit ihrem Stromverbrauch (Bild 4).

Neben der wechselnden Kaskadenschaltung von Heizung und Warmwasserbereitung kann in den Kompakt-HAST von Thermo Integral auch eine Reihenschaltung von Heizkreisen erfolgen, wie an der Referenzanlage in Ulm umgesetzt von Lüftungs- und Fußbodenheizkreis [2]. Beides minimiert den Hausanschlusswert und die Rücklauftemperaturen.

So gelingt es meist, den Primärrücklauf weit unter die nach den Technischen Anschlussbedingungen Fernwärme überwiegend geforderten 50 °C zu kühlen. In der Praxis ist der er­ziel­bare Effekt indes meist hö­her, da – wie oben gezeigt, kaum Netzrücklauftemperaturen unter 60 °C auftreten.

Im Vergleich zu Speichersys­temen haben die FWM „Waleo“ und HAST von Thermo Integral schon aufgrund ihrer geringen Oberfläche und der internen Wärmedämmung minimale Wärmeverluste. Eine thermische Desinfektion ist in den meisten Fällen nicht erforderlich, weil die Durchflusswarmwasserbereitung von Hause aus kein stehendes Wasser enthält und keine geeigneten Temperaturen und damit Anlass für die verstärkte Vermehrung von z. B. Le­gionellen bietet.

Damit tritt auch kein erhöhter Wärmeverbrauch auf. Im Gegenteil – in diesen Fällen kann die Warmwassertemperatur im System um bis zu 5 K auf minimal 55/50 °C abgesenkt werden [4], was den Wärmebedarf um 20 % und die Zirkulationswärmeverluste um 25 % reduziert (Bild 3). Während man bei Speichersystemen eine Abschaltung der Zirkulationspumpe ggf. nicht riskieren wird, ist dies bei hygienisch einwandfreien Durchflusswarmwasserbereitern an bis zu 8 h am Tag möglich [1]. Dies reduziert den Verbrauch an Wärme und Pumpenantriebsenergie für die Warmwasserzirkulation nochmals um ein Drittel. Die FWM und HAST bieten zudem die Möglichkeit der getrennten Wärmemessung für Warmwasserbereitung und Warmwasserzirkulation. In der Ausführung smart werden diese Betriebsmesswerte geloggt und sind über eine Internetanbindung auslesbar.

Zudem entfällt beim Durchflusssystem die regelmäßig erforderliche Entfernung von Sedimenten, wie sie bei Speichersystemen und nicht durchströmten Ausdehnungsgefäßen entsprechend den örtlichen Gegebenheiten, mindestens jedoch einmal jährlich, erfolgen sollte [4].

Systematischer Austausch von Speicherwarmwasser­bereitern als Geschäftsfeld für TGA-Ingenieure

Fachplaner im Bereich der TGA können in Kenntnis der Vorteile der Warmwasserbereitung im Durchflussprinzip aktiv an Wär­me­ver­sorgungsunternehmen herantreten mit dem Angebot der Ausarbeitung von Programmen zur planmäßigen Rücklauftemperaturabsenkung. In den meis­ten Fällen wird zunächst zu ermitteln sein, welcher wirtschaft­liche Schaden von den erhöhten Rücklauftemperaturen im konkreten Fall ausgeht, und welcher Nutzen im Gegenzug durch eine planmäßige Rücklauftemperaturabsenkung entsteht.

Ist der mögliche wirtschaftliche Nutzen bekannt, sind Vorschläge zur planmäßigen Rücklauftemperaturabsenkung unter Beachtung des vorliegenden Rohrnetzes und der vorhandenen Kundenstruktur sowie der spezifischen Amortisationsrichtlinien zu unterbreiten, mit dem Ziel der maximalen Rücklauftemperaturabsenkung im Zuge eines strategischen, mehrjährigen Programms. Zu beginnen ist mit den größeren Wärmeabnehmern, mit Mehrfamilienhäusern mit stetem Warmwasserbedarf, in Engpunkten des Netzes, bei besonders weit entfernt gelegenen Verbrauchern, bei allen Neukunden, und bei ohnehin zu sanierenden HAST und Warmwasserbereitern, etc. Die Umrüstung auf niedrige Rücklauftemperaturen bewirkt hier den größten Nutzen.

Ergänzend sind Vorschläge zur Optimierung der Erzeugungsanlagen für die angestrebten, niedrigen Rücklauftemperaturen zu erarbeiten und zu unterbreiten, z. B. die Nachschaltung von Brenn­wert-Wärmeübertragern an BHKW/GuD, die Regelung der Netzpumpen, etc.

Nicht zuletzt sind Änderungen in den TAB und der Tarifstruktur zu empfehlen und auszuarbeiten, die das Anstreben niedriger Rücklauftemperaturen durch die Wärmekunden selbst befördern, z. B. ein Nachlass im Anschlusspreis bei Unterschreitung einer Solltemperatur, ein Leistungspreis, der bei tieferer Auskühlung einen Vorteil bietet (Leistungs-/Mengenstrombe­gren­zung bei einer festen Tem­peraturdifferenz von z.B. 110/50 °C), Zweitarifmodelle mit speziellen Zählern (z. B. Bonus-Tarif bei t_RL< 50 °C; Malus-Tarif bei t_RL > 50 °C), restriktiver Einsatz von Rücklauftemperaturbegrenzern, Monitoring über einen längeren Zeitraum nach der Inbetriebnahme einer HAST, und später regelmäßig neu, Fernüberwachung der HAST, Einsatz von Energieinspekteuren, regelmäßiger TÜV für Fernwärme-HAST, regelmäßige Schulung und Zertifizierung von zugelassenen Installateuren für Fernwärme-HAST, etc.

Je nach Zustand und Struktur der vorhandenen HAST können von Thermo Integral verschiedene Lösungen zur Rücklauftemperaturabsenkung angeboten werden, von einer Kompakt-HAST mit bis zu zwei integrierten Heizkreisen und Durchflusswarmwasserbereitung (je Modul bis ca. 500 kW, ausreichend für etwa 380 WE mit einer 140-l-Badewanne), über Frischwassermodule gleicher Leistung, die Lieferung von Speicherersatzmodulen (Umrüstung auf Durchflussprinzip), bis hin zur energetischen Sanierung von Speicherladesystemen, wenn diese in hygienisch einwandfreiem Zustand sind. Größere Stückzahlen ermöglichen sinkende Preise für Lieferungen und Leistungen, die die Wirtschaftlichkeit solcher Rücklauftemperaturabsenkungsprogramme weiter verbessern.

Im Resultat erhöht der Versor­ger die Energieeffizienz und Wirt­schaftlichkeit seines Netzes und seiner Erzeugungsanlagen, ermöglicht die Netzverdichtung ohne eigene Zusatzinvestitionen, reduziert die Investitionskosten bei neuen Netzen, etc.

Die Verbraucher sichern sich akzeptable Wärme- und Warmwasserkosten für die Folgejahre, und nicht zuletzt eine hohe Hygiene in der Warmwasserversorgung. Sie sollten frühzeitig in die geplanten Maßnahmen einbezogen und ggf. im Verhältnis zum Nutzen auch an den Kosten beteiligt werden.

Die Fachplaner als Konzept­er­steller, Berater in Sachen möglicher staatl. Förderung, als Projektanten, Baubegleiter und Spezialisten für Schulungen und Anlagenmonitoring, das örtliche Installationshandwerk, und nicht zuletzt die Hersteller und Lieferanten erreichen eine mehrjährige, stabile Auslastung. Es entsteht eine echte Win-Win-Situation.

Mit „Muster-HAST“ von Thermo Integral kann das Procedere getestet und von allen Beteiligten geübt werden. Die erforderlichen Daten für die Erarbeitung eines Angebotes sind normierten Anfrageblättern zu entnehmen.

Fazit

Im Ergebnis eines zehnjährigen Entwicklungsprozesses hin zu Frischwassermodulen und Fernwärmehausanschlussstationen mit niedrigstmöglichen Rücklauftemperaturen sind innovative, Energie sparende Geräte mit überaus kompakten Abmessungen, einem ansprechenden Äußeren und einer neuen Sicherheitstechnik verfügbar, die das Zeug haben, zu einem neuen Stan­dard zu avancieren.

Niedrige Rücklauftemperatu­ren sind möglich. Durch die ge­schützten Schaltungen einer mehr­stufigen Auskühlung des Heizmediums wird das physi­ka­lisch Machbare erreicht. Ihre Wirksamkeit konnte in ver­schiedenen Anwendungen nachgewiesen werden, ob mit Fußbodenheizung, 80/60 °C-Heizkörpern, Einrohrheizung, bei primärseitigen Nenndrücken von 25 bar und Vorlauftempera­turen bis 140 °C. Im Ergebnis wurden stets selbst für Fachleute vorher undenkbar gewesene, minimal mögliche Fernwärmerücklauftemperaturen zuverlässig erreicht.

Der planmäßige Austausch von Fernwärmehausanschlussstationen mit speichergestützter Warmwasserbereitung gegen Anlagen mit Durchflusswarmwasserbereitung und besonders abgesenkten Rücklauftemperaturen ist in den meisten Fällen wirtschaftlich rentabel. Die aktive Unterstützung der Versorgungsunternehmen und Wärmekunden bei diesem Prozess ist ein attraktives Betätigungsfeld für interessierte Fachplaner.

Literatur: