Legionellenwachstum vermeiden

Nicht jeder Kontakt mit legio­nel­lenhaltigem Wasser führt zu einer Gesundheitsgefährdung, erst das Einatmen bakterienhalti­gen Wassers als Aerosol kann zur Erkrankung führen.

Regeln und Vorschriften zielen darauf ab, das Trinkwasser mög­lichst keimfrei zu halten, um eine Gesundheitsgefährdung zu vermeiden.

Für den Planer ergeben sich somit 3 + 1 Eckpunkte:

1. Vorschriften, Vorschriften, Vorschriften,

2. Die Anforderungen an die Warmwasserbereitung,

3. Der Komfort.

Die Anforderungen leiten sich aus mehreren Fragen ab: Wel­cher Erzeuger soll es sein, wo wird er aufgestellt und wie erfolgt die Verteilung (innerhalb oder außerhalb der thermischen Hülle), welche Schüttleistung wird benötigt, welche Anforderungen werden an die Hygiene gestellt (besonders hohe bei Krankenhäusern, Schulen, Hotels) und nicht zuletzt was kostet die Anlage?

Komfort wird heute groß geschrieben, der sesshafte Mensch ist verwöhnt und stellt Ansprüche. Es soll sofort warmes Wasser aus jedem Hahn kommen, mit gleichbleibender Schüttleistung auch bei mehreren geöffneten Hähnen und drei bis zum Rand mit Warm­wasser gefüllte Badewannen hintereinander sollten doch bitte auch möglich sein. Damit kommen wir zum noch feh­len­den Eckpunkt:

4. Die Energieeffizienz.

Eine Wärmepumpe ist der Physik und damit dem möglichst gering zu haltenden Temperaturhub geschuldet, am besten ein Niedrigst-Temperatursystem. Damit arbeitet sie gerade im Temperaturbereich des optimalen Legionellenwachstums am effizientesten und stellt deshalb schon einen Widerspruch in sich zu den geforderten Temperaturen über 65 °C außerhalb des Legionellenwachstums dar.

Die Leistungszahl einer Wärmepumpe (COP) ist abhängig vom Temperaturhub und wird umso geringer, je weiter angehoben werden muss. Eine Kurve einer typischen Sole-Wasserwärmepumpe zeigt die Abhängigkeit ganz einfach: Im Normtemperatur­punkt B0/W35 beträgt der COP etwa 4,5 und verringert sich zum Tem­peratur­punkt B0/W55 im Schnitt um 2, sinkt also auf nur noch 2,5.

An dieser Stelle kommt die Diskussion um die Wirkungsgrade und die Emissionen der Stromerzeugung ins Spiel. Vereinfacht lässt sich dies an der nötigen Primärenergie darstellen: Soll die Energiebilanz einer Wärmepumpe gegenüber der investierten Primärenergie ausgeglichen sein, muss sie die Verluste der Stromerzeugung (in Deutschland 38 %) und die Netzverluste kompensieren. Dies gelingt ab einer Jahresarbeitszahl von 2,94. Berücksichtigt man zudem die Verluste einer kalorischen Heizung, so sinkt der Wert noch deutlich.

Setzt man dagegen die CO₂-Emissionen als Grundlage an, so ergibt sich unter der Verwendung der CO₂-Emissionsfaktoren nach Gemis 4.4.2 und der Kesselwirkungsgrade nach DIN V 4701-10 unter der Berücksichtigung des Stromverbrauchs der Gas-Brennwertheizung eine Jahresarbeitszahl von 2,59 die eine Wärmepumpe zur Kompensation erreichen muss.

Die in verschiedenen Feldstudien (FAWA, Fraunhofer, etc.) nachgewiesenen erreichten Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen gestatten einen weiteren Blick auf die Problematik.

Die mittlerweile mit 60 % Anteil den Markt dominierenden Luft/Wasser-Wärmepumpen erreichen gerade einmal im Schnitt eine Jahresarbeitszahl von 2,8, Sole/Wasser-Wärmepumpen bewegen sich vom Niveau der 3,5 langsam nach oben. Und hierbei geht es in der Hauptsache um die Raumheizung, die naturgemäß über die Mehrzahl der Flächenheizungen höhere Wirkungsgrade bringen! Folgt man dem Absinken des COP um den Faktor 2 (was in dieser Form aber nicht ganz statthaft ist, da auch Gebäude mit Heizkörpern an den Feldstudien beteiligt waren), müsste man die Warmwasserbereitung mit einer Wärmepumpe schon als fast elektrisch direkt bezeichnen.

Trost bietet aber der Vergleich mit den höchsten erreichten Jahresarbeitszahlen, hier kommen Luft/Wasser-Wärmepumpen schon auf 4,7, Sole/Wasser-Wärmepumpen auf 5,2, Wasser/Wasser-Wärmepumpen schaffen bei günstigen Bedingungen auch Werte über 6. Da sollte doch auch für die Warmwasserbereitung noch Spielraum sein.

Alles geregelt

Betrachtet man die Regelwerke, die im Zusammenhang mit der Warmwasserbereitung stehen, so fällt im Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad gleich ein Punkt auf. Neben der EnEV, die ent­weder nach DIN V 18 599 (Berechnung des Nutz-, End- und Pri­mär­energiebedarfs) oder DIN V4701-10 (vorgegebene Verluste bei der Wärmeerzeugung) und DIN 4708-6 (Leistung für Warm­wasserbereitung) einzuhalten ist, sagt das EEWärmeG auch etwas zur Beheizung mit Wärmepumpen aus. Demnach sind mindestens 50 % der Wärme über die Wärmepumpe zu erbringen, die Jahresarbeitszahl für Heizung und TWE hat mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mindestens 3,3 zu betragen, bei Erdreich sogar 3,8. Nach den Ergebnissen der Feldstudien sind die Jahresarbeitszahlen nur selten zu erfüllen, auf dem Papier über die Prognose der VDI 4650 ist es dagegen eine Leichtigkeit.

Die Installation begleitende Regelwerke sind z. B. die DIN EN 12 828 (Heizungssysteme in Gebäuden – Planung von Warmwasser-Heizungsanlagen) sowie die VDI 6003 (Trinkwassererwärmungsanlagen – Komfortkriterien und Anforderungsstufen für Planung, Bewertung und Einsatz). Für Trinkwasserinstallationen sind die DIN 1988 Teil 1-8 (Technische Regeln), die VDI 6023 Blatt 1 und 2 (Trinkwasserhygiene in der Hausinstal­lation), die DIN EN 1717 (Schutz des Trinkwassers), die TrinkwV 2001, § 17, Abs. 1 und 2, sowie auch das IfSG § 37, Abs. 1 bis 3 zuständig.

Speziell für die Warmwasserbereitung sind aber die TrinkwV 2001, Anlage 4 Teil 1 Nr. 2 und im Besonderen die DVGW Arbeits­blätter W 551 und W 553 von Bedeutung. Das Arbeits­blatt 551 regelt ganz klar die Vorgaben:

Es gilt bei der Neuerstellung von Trinkwasseranlagen und be­rücksichtigt nicht Ein- und Zwei­familienhäuser. Alle anderen Ge­bäude teilt es in Klein- und Groß­anlagen ein.

Wenn der Speicher < 400 l Inhalt hat oder die Leitung vom Speicher bis zur Entnahmestelle < 3 l Inhalt hat, ist es eine Kleinanlage, für die die Vorschrift als Empfehlung gilt.

Sind die Speicher > 400 l oder mehr als 3 l Inhalt in der Leitung, so handelt es sich um eine Großanlage. Und an diese werden besondere Anforderungen gestellt:

Anforderungen an die Speicher:

Es ist eine gleichmäßige Erwär­mung zu gewährleisten, der Spei­cher ist einmal am Tag auf 60 °C zu erwärmen. Die Schalt­differenz darf nicht zu Tempera­tu­ren unter 55 °C führen, die Aus­tritts­temperatur am Speicher muss mindestens 60 °C betragen.

Anforderungen an die Zirkulation:

Die Zirkulation darf nicht zu Misch­zonen im Speicher führen, die Wassertemperatur in der Zir­kulation darf nicht weniger als 5 K geringer sein als die des Speichers. Es darf keine Unterbrechungen länger als 8 h geben, zulässig sind alternativ selbstregelnde Begleitheizungen.

Eine wichtige Konsequenz er­gibt sich darüber hinaus: Die Unter­suchungspflicht auf Legio­nel­len ist einzuhalten.

Alles eine Frage der Technik

Vorgehen nach Plan „Sorglos“:

Ganz einfach und viel zu häufig anzutreffen: der Einsatz einer Hochtemperaturwärmepumpe in Verbindung mit einem großen Speicher, da sind sogar 70 °C problemlos erreichbar. Der große Speicher bringt noch mehr An­nehmlichkeiten: die 400 l Speicher- und 3 l Leitungsregel brauchen nicht beachtet zu werden und DVGW wird eingehalten. Es ist bis auf die Anordnung der Proben- und Entnahmeventile keine dezidierte Planung notwendig.

Vorgehen nach Plan „Energieeffizient“:

Hier dreht sich alles um ein ent­scheidendes Kriterium, die Ver­meidung der Großanlage um damit die Erwärmung auf 60 °C sowie die Untersuchungspflicht zu vermeiden.

Dazu ist aber eine angepasste Planung notwendig, die den Anforderungen einer Wärmepumpe gerecht wird. Das größte Problem stellt dabei meist der Leitungsinhalt dar. Denn mit 3 l kommt man nicht weit, wie Tabelle 1 zeigt.

Bedenkt man den Durchmesser eines Standard-Perlators, der 18 mm beträgt und den auch die dahinter liegende Leitung haben sollte, wird klar, dass die Leitungen meist im Bereich von 22 bis 35 mm liegen müssen.

Wenn schon von Hygiene und Energieeffizienz die Rede ist, so gelten einfache Grundsätze einer Installation genauso für fossile Wassererwärmer. Ein möglichst kompaktes Netz mit wenigen Strängen ist grundsätzlich anzustreben. Die Lage der Räume mit Wasseranschlüssen und die Zapfstellen sollten möglichst zentral angeordnet werden. Stagnationswasser ist (tunlichst) zu vermeiden, Abgänge mit T-Stücken zu den Hähnen sind nicht mehr zeitgemäß. Ein Reihen- oder Ringleitungssystem vermeidet Stagnationswasser. Spülstationen oder Bypässe tra­gen genauso dazu bei, stehen­des Wasser zu vermeiden oder möglicherweise belastetes Wasser zu entfernen. Genauso zu pla­nen ist ggf. die Anordnung der Kontrollventile.

Eines ist aber klar: die Vorschriften enthalten keine dezidier­ten Anforderungen für eine Wärme­pumpe! Denn Gesundheit kommt vor Energieeffizienz.

Alles mit einer Wärmepumpe

Es muss im Grundsatz die Fallunterscheidung der DVGW beachtet werden:

1. Ein- und Zweifamilienhäuser (auch hier kann so geplant werden, dass DVGW eingehalten wird),

2. Kleinanlagen,

3. Großanlagen.

Die jeweiligen Anforderun­gen sind bei einer Wärmepumpe nur über entsprechende Technik(konzepte) lösbar.

Bei Ein- und Zweifamilienhäusern wird gerne eine Brauchwasser-Wärmepumpe eingesetzt. Diese verfügt typischer Weise über einen 300 l Speicher mit einer aufgesetzten Wärmepumpe und entzieht der Raumluft die Wärme. Dabei bringt sie handfeste Vorteile: kein Planungsaufwand, sehr einfach zu installieren, hinstellen, Wasser dran klemmen, Stecker in die Dose, fertig. Sie benötigt obendrein keine großartige Regelung, ist also relativ „idiotensicher“ einzubauen. Und günstig im Preis. Einen Nachteil bringen Brauchwasser-Wärmepumpen doch mit sich: den schlechten Wirkungsgrad, die Jahresarbeitszahl liegt Studien zufolge meist nur um die 2.

Der bessere Weg ist das Warmwasser über die Heizungswärmepumpe zu erwärmen, hierbei arbeitet die Wärmepumpe auch auf einen Warmwasserspeicher. Der Vorteil liegt in der größeren Wärmequelle, bei einer Erdreichanlage ist sie zudem auch die effizientere. Daraus resultiert nicht nur ein höherer Wirkungsgrad, die Solaranbindung wird so erst ermöglicht.

Nachteile ergeben sich aus der aufwendigeren Anbindung des Speichers und der Regelung, die beide Betriebsarten, Raumheizung und Warmwasserbereitung beherrschen muss. Zudem muss die Speichergöße den Anforderungen und dem Nutzerverhalten angepasst werden, frei nach dem Motto „so viel wie nötig, so wenig wie möglich“. Eine sorgfältige Auslegung des Rohrnetzes ist genauso wichtig, um unnötige Energieverluste zu vermeiden.

Mit herkömmlichen Warmwasserspeichern ist dies in vielen Fällen schwierig, beispielhaft seien hier Kompaktwärmepumpen mit integrierter Warmwasserbereitung genannt. Oft betragen hier die Speichergrößen nur 170 bis 220 l, kaum ausreichend für ein Vollbad. Um dies zu gewährleisten und auch zur notwendigen Legionellenprophylaxe ist ein E-Heizstab notwendig.

Deshalb sind Frischwassersysteme meist die bessere Lösung. Bei einem Frischwassersystem fungiert die Wärmepumpe ähnlich wie ein Durchlauferhitzer. Sie bevorratet einen Speicher mit z. B. 500 l Inhalt mit 48 °C Temperatur. Durch einen Wärmetauscher strömt beim Zapfen frisches, kal­tes Wasser, nimmt die Wärme des Speichers auf und kommt mit nur etwa 2 K Differenz zu diesem warm aus dem Hahn. Das hat den Vorteil, dass eine Legionellenbildung ausgeschlossen ist, somit entfällt die Legionellenprophylaxe. Auch die Solaranbindung ist möglich. Selbstverständlich ist auch hier die 3 l-Beschränkung zu beachten, auch damit nicht zu viel kaltes Wasser in der Leitung steht, welches erst aus dem Hahn laufen muss, bis das warme kommt, ist besondere Sorgfalt bei der Dimensionierung der Leitungen gefordert. Besonders der Anschluss der Spüle wird gerne kritisiert, ein elektronisch geregelter Mini-Durchlauferhitzer, der nur kurz die Differenztemperatur erzeugt und am Eckventil angebracht wird, kann einfach Abhilfe schaffen.

Auch die Technik der Wärme­pumpe selbst kann helfen, wie mit der Heißgasenthitzung. Nach dem Verdichten kann das Kälte­mittel Temperaturen von fast 100 °C erreichen, über einen vorgeschalteten Wärmetauscher kann der Temperaturbereich bis ca. 60 °C herunter ausgekoppelt und zur Warmwasserbereitung verwendet werden. Damit sind auch 65 °C problemlos erreichbar und die Legionellenfreiheit ist gegeben. Wenig Sinn macht aber die Verwendung der Heißgasenthitzung in Verbindung mit einer Heizung, die über Heizkörper sowieso schon auf einem ähnlichem Temperaturniveau arbeiten muss.

Um im Bereich der Kleinanla­gen zu bleiben (egal wie groß das Gebäude ist), bietet sich genauso die Frischwassertechnik an; allerdings als dezentrales Sys­tem, welches aus einem Speicher, der von der Wärmepumpe auf Temperatur gehalten wird, über eine Zirkulationsleitung gespeist wird. Die Frischwasserstationen werden dabei in den Wohnungen installiert, dadurch befinden sie sich auch dicht an den Entnahmestellen, wodurch die 3 l-Regel meist problemlos eingehalten werden kann.

Da Warmwasser selten mit mehr als 45 °C aus dem Hahn kommen muss, kann eine Standard-Wärmepumpe verwendet werden, die 55 °C erreichen kann. Der einzige Nachteil ergibt sich aus den etwas höheren Kosten der Tauscherstationen pro Wohneinheit.

Bei Bestandsgebäuden ist der Platzbedarf ein schwieriges Thema (falls DVGW erforderlich oder gewünscht ist), nicht immer lässt sich das System integrieren. In Verbindung mit einer Heizkörperheizungsanlage, die auf einem ähnlichen Temperaturniveau läuft wie das Warmwasser, also um die 50 °C, können die Frischwasserstationen gleich von der Heizungsseite her angefahren werden, es ist dann keine eigene Verrohrung notwendig.

Bei Großanlagen bleibt als letzte Lösung nur eine Hochtemperaturwärmepumpe. Auch hier muss man zwischen den Anforderungen und den technischen Konzepten differenzieren.

Wärmepumpe mit Niederdruckkältemittel

Bei Verwendung von R 134a sinkt die Drucklage, der Verdichter muss weniger „arbeiten“, um auf höhere Temperaturen zu kommen. Die deshalb fehlende Leistung muss aber über einen größeren Verdichter kompensiert werden.

Wärmepumpe mit Dampfeinspritzung

Mit dem EVI-Zyklus (engl. Enhanced Vapour Injection) können Vorlauftemperaturen bis 65 °C auch mit R 407c erreicht werden.

Bei diesem Verfahren wird ein Teil des Kältemittels über ein Ventil abgeführt, entspannt, abgekühlt und über einen Zusatzwärmetauscher zum Verdichter geführt.

Wärmepumpe mit zweistufigen Verdichtereinheiten

Der Verflüssiger der ersten ist der Verdampfer der zweiten Stufe, es werden unterschiedliche Kältemittel verwendet. Eine solche Anordnung erfordert einen dauerhaften Betrieb beider Ver­dichter, da nur auf der zweiten Stufe Wärme an die Heizung abgegeben werden kann. Noch effizienter ist das System mit EVI und Leistungsregelung. Großanlagen sind im Grunde Abbildungen einer fossilen Heizung. Wärmepumpen brauchen andere Ansätze.

Eine Wärmepumpe ist ein System!

Effizienzfördernde Kriterien sind dabei:

Wärmequelle:

Wärmepumpe:

Wärmenutzungsseite:

Eines muss damit klar sein: es ist wie mit einer Kette, deren Stärke vom schwächsten Glied bestimmt wird. Eine Wärmepumpe mit ungünstigen Betriebsbedingungen kann nicht effizient Warmwasser bereiten! Das Wärmepumpen Warmwasser auch mit sehr guten Arbeitszahlen über 4 bereiten können, zeigen Beispiele im Arbeitsalltag.

Eine provokante Frage zum Schluss

Die EnEV schreibt die Dämmung aller Warmwasserleitungen vor. Das Problem dabei ist die Realität. Die Frage lautet, wie hoch sind die Stillstandsverluste einer Leitung? Wird oft Warmwasser gezapft, ist eine Dämmung sinnvoll. Wird nur alle paar Tage Warmwasser entnommen, so verhindert die Dämmung eine rasche Abkühlung auf Temperaturen mit verlangsamtem Legionellenwachstum. Die Wärme geht so oder so in die beheizte Hülle über.