Mehr als nur Größenbestimmung

Böse Überraschungen in der Praxis

Das erste Beispiel ist eine Wohnanlage mit zwei Blöcken und insgesamt 200 Wohnungen. Hier wurden vor einigen Jahren die Heizzentrale und eine Unterstation erneuert. Dies umfasste einen Gasbrennwertkessel und zwei Speicherladesysteme mit je 750 l. Die Planung erfolgte gemeinsam mit dem Kesselhersteller nach DIN 4708. Kurz vor Ablauf der Gewährleistung kam es zu einem Totalschaden des Kessels durch Korrosion der Abgasseite. Der Schaden betrug etwa 25.000 €.

Was war die Ursache? Die im Nachhinein gemessenen Wärmeverluste der Warmwasser- und Zirkulationsleitungen betragen je Block ca. 17 kW, so dass die Ladespeicher innerhalb von ca. 15 min von 60 °C Solltemperatur auf 55 °C abkühlen. Aus hygienischen Gründen musste die Nachladung beginnen und der Brenner starten. Tatsächlich wurden knapp 32.000 Brennerstarts pro Jahr gemessen, was laut Hersteller infolge der häufigen thermischen Spannungen zum Schaden geführt hat.

Mittlerweile hat der Hersteller übrigens seine Gewährleistungsbedingungen für Stahlkessel um die Forderung nach max. 15.000 Brennerstarts pro Jahr ergänzt. Ungeklärt bleibt leider die Frage, wie das Takten vorab berechnet werden kann, damit Planer bzw. Installateure diese Anforderung einhalten können.

Das zweite Beispiel offenbart die erschreckend hohen Wärmeverluste des Rohrnetzes für Warmwasser und Zirkulation. Ein Zweifamilienhaus wurde kernsaniert, wobei auch die Rohrleitungen erneuert wurden. Am Warmwasserbereiter wurden sowohl Wasserzähler wie auch Wärmemengenzähler installiert, so dass Energiebedarf und -verbrauch verglichen werden können: Trotz sehr guter Dämmung betragen die Wärmeverluste rund 10.000 kWh pro Jahr, was einem Anteil von 62 % am Energieaufwand für Warmwasser entspricht. Die jährlichen Mehrkosten für Gas betragen etwa 800 €. Fast jede andere Lösung wäre energetisch, ökologisch und preislich günstiger, sogar Elektro-Durchlauferhitzer.

Das dritte Beispiel zeigt, wie bedenklich ein übertriebenes „worst-case“-Szenario bei der Planung sein kann. Für eine Schulsporthalle mit einem alten 2.000-l-Speicher und zehn Duschen wurde der Warmwasserverbrauch (60 °C) über einen Monat gemessen. Der Tagesverbrauch lag im Mittel bei nur 50 l (max. 110 l), weil die Halle neben Schulsport fast nur von Kindersportvereinen benutzt wird. Der Wasseraustausch im alten Speicher dauert also 40 Tage und liegt damit 13fach über dem zulässigen Grenzwert der VDI 6023 zur Trinkwasserhygiene für einen bestimmungsgemäßen Betrieb. In dieser langen Zeit können sich Mikroorganismen (z.B. Legionellen) stark vermehren und Metalle aus Speicher- und Rohrwandung im Trinkwasser anreichern.

Alle drei Beispiele zeigen, dass sich vor allem das Problembewusstsein ändern muss: Die richtige Planung eines Warmwasserbereiters ist viel mehr als nur eine Größenbestimmung. Sie muss wichtige Kriterien berücksichtigen, beispielsweise das Taktverhalten des Wärmeerzeugers oder die Einhaltung der Trinkwasserhygiene nach VDI 6023.

Die alte DIN 4708 – NL-Zahl versus Realität!

Hauptwerkzeug in der bisherigen Planungspraxis ist die DIN 4708 für Wohngebäude. Die Norm erschien erstmals im Jahr 1979. Die Vorarbeiten reichen wohl bis in die 1960er-Jahre zurück. Der Warmwasserverbrauch im Bedarfszeitraum wird als Gauß‘sche Glockenkurve angenommen. Kurvenform und Dauer des Bedarfszeitraums (3,5 bis 7 h) ändern sich in Abhängigkeit der Anzahl an Einheitswohnungen N (3,5 Pers., 1 Badewanne). Aus tatsächlich vorhandenen Wohnungen, Räumen, Belegung und Ausstattung der Sanitärräume wird das Äquivalent an Einheitswohnungen (NL-Zahl) ermittelt.

Im Labor wird kontrolliert, ob ein Warmwasserbereiter die NL-Zahl einhält. Das NL-Zapfprofil besteht aus fünf Zapfungen und wird abgeleitet aus der jeweiligen Gaußkurve. Nur was im Labor bestanden wurde, darf auch auf den Produktunterlagen stehen.

Einerseits neigt die DIN 4708 zu erheblicher Überdimensionierung, weil sich die Warmwasserverbräuche je Wohnung seit den 1970ern stark vermindert haben und die realen Zapfungen sich über den ganzen Tag verteilen und nicht nur im Bedarfszeitraum auftreten. Die genaue Berechnung für ein Mehrfamilienhaus mit 48 Wohnungen ergab beispielweise einen 500-l-Warmwasserspeicher statt eines 1000-l-Speichers nach DIN 4708.

Andererseits ist das Anwendungsgebiet der DIN 4708 sehr eingeschränkt: Grundsätzlich gilt sie nicht für Nichtwohngebäude. Es fehlen Prüfvorschriften für Frischwasserstationen mit Heizungspufferspeichern oder Warmwasserbereiter, die von Wärmepumpen auf niedrigem Temperaturniveau beheizt werden. Auch das lange Aufheizen von Holzkesseln bei einem Kaltstart (Reaktionszeit) wird nicht berücksichtigt.

Bei Nichtwohngebäuden und größeren Wohngebäuden lassen sich daher viele Planer und Installateure die Trinkwassererwärmer von Handel und Herstellern auslegen.

Das hat einen gravierenden Nachteil: Das Planungs-Know-how leidet darunter – und ebenfalls das Bewusstsein um mögliche Risiken und Probleme!

DIN EN 12831 (Teil 3, Entwurf 2014) – Grundprinzip und Kritik

Die DIN EN 12831-3 soll die altersschwache DIN 4708 ersetzen und bringt sinnvolle Neuerungen: Das Rechenverfahren basiert auf Ein-Tages-Zapfprofilen für verschiedene Wohn- und auch Nichtwohngebäude, so dass der Anwendungsbereich deutlich größer ist. Außerdem werden die Wärmeverluste des Rohrnetzes und die Reaktionszeit des vorgelagerten Heizsystems (z.B. für das Aufheizen von Holzkesseln) berücksichtigt.

Am einfachsten ist das Prinzip am Beispiel einer Talsperre in Bild 1 zu erklären: Als grafisches Verfahren basiert es auf der statistischen Auswertung von Zustrom und Entnahme über einen Zeitraum. Der Zustrom ist im Frühjahr besonders groß, während die Entnahme im Sommer am stärksten ist. Zu- und Abflüsse werden jeweils aufsummiert und als Summenlinien übereinander für den betrachteten Zeitraum dargestellt. Der Anfangsinhalt des Speichers als Fußpunkt der Zufluss-Summenlinie wird geschätzt. Die Differenzen beider Summenlinien geben den zeitlichen Verlauf des Füllstandes an. Wenn sich beide Linien treffen, ist die Talsperre trocken gefallen und der Bedarf kann nicht mehr gedeckt werden. Die Talsperre wäre zu klein oder der Verbrauch insgesamt höher als der Zustrom. Der höchste zeichnerische Füllstand ergibt die Mindestgröße der Talsperre.

Für die DIN EN 12831-3 wurde das Summenlinienverfahren modifiziert und auf eine Energiebetrachtung [kWh] umgestellt. Für eine vorgegebene Kombination aus Speicherinhalt und Dauerleistung wird die Eignung im Kapazitätenschaubild in Bild 2 überprüft. Aus dem Zapfprofil wird die Bedarfskurve (braun) ermittelt, Wärmezufuhr und Anfangsladestand ergeben die Angebotskurve (blau) des Speichers. Die Differenz der beiden Kurven stellt den aktuellen Energieinhalt bzw. Ladestand dar. Die Umrechnung von Volumen zu Energie erfolgt rechnerisch über Gleichung 1.

Q_{Bedarf/Angebot} = V_WW/Speicher x ρ x c_p x ΔT   (1)

mit  ΔT = T_WW/Speicher – T_Kaltwasser

Für die Bedarfskurve gehen das summierte Zapfvolumen sowie die Temperaturen von Kalt- und Warmwasser ein. Bei der Angebotskurve sind dagegen das Speichervolumen und die mittlere Speichertemperatur zu verwenden.

Die (rote) Einschaltkurve bestimmt den Beginn der Nachladung. Wenn die Angebotskurve die Einschaltkurve unterschreitet, wird die Ladung ausgelöst. Die Einschaltkurve ist eine Parallelverschiebung der Bedarfskurve und ergibt sich nur aus der Höhe des Einschaltfühlers im Speicher. Die tatsächlichen Einstellungen an der Regelung (Ein-/Ausschalttemperaturen) werden nicht berücksichtigt. Liegt der Fühler beispielsweise auf 40 % der Höhe, wird die Ladung ausgelöst, wenn 40 % der Energie verbraucht ist. Die Ladung endet, wenn der Speicher wieder zu 100 % geladen ist, was als (graue) Obergrenze eingezeichnet ist.

Das Kapazitätenschaubild kann man übrigens gut mit dem Flug eines Heißluftballons (= Angebotskurve) über einen Berg (= Bedarfskurve) veranschaulichen. Kühlt der Ballon ab, sinkt er. Wird die Mindestflughöhe (= Einschaltkurve) unterschritten, wird nach Ablauf der Reaktionszeit nachgeheizt und der Ballon steigt wieder bis zur max. Flughöhe über Boden.

Der Energieinhalt eines Speichers lässt nach o.g. Gleichung lediglich Rückschlüsse auf die mittlere Speichertemperatur zu, aber nicht auf die Temperaturverteilung im Speicher. Daher werden Regelverhalten und Wärmetauscherleistung v.a. bei Gebäuden mit Zirkulationsleitungen teilweise recht ungenau wiedergegeben, wie folgende Beispiele zeigen.

Überdimensionierung bei DIN-gerechter Auslegung

Das erste Beispiel zeigt das Regelverhalten eines Warmwasserspeichers mit einem Fühler auf halber Speicherhöhe (Bild 3). In Realität wird die Nachladung ausgelöst, wenn die Einschalttemperatur am Fühler unterschritten wird. Dies erfolgt z.B. aus hygienischen Gründen, wenn der Speicher infolge Zirkulation von 60 auf 55 °C abgekühlt ist, selbst wenn es zwischenzeitlich keine Zapfung gab. In diesem Fall ist noch über 90 % der Energie im Speicher vorrätig. Nach DIN EN 12831-3 springt die Ladung aber erst an, wenn der Energieinhalt unter 50 % sinkt, weil nur die Höhenlage des Fühlers berücksichtigt wird. Bild 4 vergleicht die Energieinhalte kurz vor einer Phase starker Zapfungen. Nach DIN-Verfahren (lila) wäre die Hälfte der Energie verbraucht. In Wirklichkeit (blau) ist der Speicher wegen der früheren und häufigeren Nachladung komplett aufgeladen, so dass ein kleinerer Speicher mit weniger Leistung reicht, um die bevorstehende Zapfphase (braun) zu überwinden. Folgen: Die DIN EN 12831-3 neigt zu starker Überdimensionierung der Speicherinhalte bei gleichzeitiger Unterschätzung der Anzahl der Brennerstarts.

Das zweite Beispiel betrifft Speicherladesysteme, deren Leistung im Ladebetrieb nach Norm als konstant angenommen wird. Tatsächlich wird das Wasser unten aus dem Ladespeicher mit nahezu konstantem Volumenstrom entnommen, im externen Wärmetauscher auf Solltemperatur erwärmt und oben dem Speicher wieder zugeführt. Hat sich zuvor Kaltwasser im Speicher gesammelt, beträgt die Erwärmung 50 K (= 100 % Leistung). Hat sich Zirkulation gesammelt, sind nur 5 K zu erbringen und die Leistung sinkt auf nur 10 %. Dagegen rechnet die Norm immer mit konstant hoher Leistung, so dass der Speicher rechnerisch schneller aufgeladen wird und über mehr Energie verfügt als in Wirklichkeit. Dieses Beispiel zeigt, dass die Norm teilweise sogar zu Unterdimensionierung führen kann.

Die Anwendung der neuen DIN EN 12831-3 als Ersatz für die veraltete DIN 4708 ist zwar grundsätzlich zu begrüßen, weil Nichtwohngebäude, Wärmeverluste und Reaktionszeit erfasst werden. Leider ist die Berechnung doch recht ungenau. Anders gesagt: Die neue Norm schließt genauere Berechnungsverfahren nicht aus!

Simulation als Lösung

Ziel dieser Software ist ein hoher Schutz vor Fehlplanungen und Schäden durch genauere Berechnung und die Abwägung zusätzlicher Entscheidungskriterien. In wenigen Schritten führt die Software zu nachvollziehbaren Ergebnissen. Vielfach sind hiermit kleinere und kostengünstigere Trinkwassererwärmer möglich.

„Thermasim“ ist als Weiterentwicklung der DIN EN 12831-3 mit einem neuen „Motor“ zu verstehen: Die wesentlichen dynamischen Prozesse in Speichern und Wärmetauschern werden simuliert, was die realitätsnahe Abbildung der Temperaturschichtung im Speicher, des Regelverhaltens und der Wärmetauscherleistung ermöglicht. Außerdem werden Langzeitmessungen von Zapfprofilen in hoher Auflösung verwendet, um die Vielfalt wirklichen Nutzerverhaltens besser zu erfassen und die Ergebnisse auf eine breitere statistische Basis zu stellen.

„Thermasim“ beinhaltet als herstellerunabhängige Software bereits zahlreiche gemessene Muster-Zapfprofile verschiedener Gebäudetypen (Wohngebäude, Hotels, Heime usw.) und Gebäudegrößen beinhaltet, die dann auf die genaue Größe umgerechnet werden.

Für noch bessere Genauigkeit können individuelle Messungen eingelesen werden, was sich bereits bei mittelgroßen Gebäuden schnell rechnet. Zu Vergleichszwecken sind zudem NL-Zapfprofile nach DIN 4708 hinterlegt.

Die Software eignet sich für Warmwasserspeicher, Speicherladesysteme und Frischwasserstationen mit Heizungspufferspeicher. Sie ist unabhängig, herstellerneutral und umfasst eine Vielzahl von Geräten gängiger Hersteller.

Zentrale Bedeutung hat die Vorauswahl. Hier wird das konkrete Gerät zunächst ausgewählt und anschließend nachgerechnet. Beispielhaft ist sie für Warmwasserspeicher in Bild 5 dargestellt. In der Vorauswahl werden die wichtigsten Entscheidungskriterien grafisch und übersichtlich zusammengeführt: Die verfügbaren Speicher sind mit Inhalt und Dauerleistung als farbige Punkte entsprechend ihrer voraussichtlichen Eignung dargestellt. Als Auswahlhilfe dient die blaue Kurve, die eine ungefähre Mindestgröße angibt. Darunter liegende Geräte sind vermutlich zu klein. Speicher in grauen Bereichen sind bezüglich Taktverhalten oder Trinkwasserhygiene (Wasseraustausch) ungünstig.

„Thermasim“ geht gerade auch auf Aspekte ein, die bisher weder in der DIN 4708 noch in der DIN EN 12831-3 betrachtet wurden. Hierzu gehören das Risiko von Kesselschäden wegen häufiger Brennerstarts und hygienische Risiken durch seltenen Wasseraustausch. Zur Vorbeugung gegen eine falsche Systemwahl wird auch die Energieeffizienz bewertet. Damit wären die drei eingangs beschriebenen Negativbeispiele sicher vermieden worden.

Ein große Erleichterung für den Planer ist auch die Berechnung der Reserve für den konkret gewählten Warmwasserbereiter, d.h. wie stark man die Lastannahmen (z.B. Personenzahl) erhöhen könnte, ohne dass es zu einem Versorgungsengpass käme. Wenn die Reserve z.B. bei 30 % liegt, muss sich der Planer keine großen Sorgen mehr machen, ob er die Anzahl an Personen, Gästen usw. richtig geschätzt hat. Neben zahlreichen Diagrammen sorgt v.a. die Animation des Speichers in Bild 6 für eine gute Nachvollziehbarkeit. 

Fazit

Die kommende DIN EN 12831-3 ersetzt die veraltete DIN 4708 und zeigt in die richtige Richtung, weil sie auch für Nichtwohngebäude offen steht.

Die Software „Thermasim“ (www.thermasim.de) geht noch entscheidende Schritte weiter und macht da weiter, wo die neue Norm aufhört: Sie simuliert Speicher und Wärmetauscher, so dass die Planung noch genauer wird und ggf. zu kleineren und kostengünstigeren Ergebnissen führt. Im Planungsprozess werden zusätzlich auch die wichtigen Aspekte Trinkwasserhygiene, Energieeffizienz und Taktverhalten des Kessels berücksichtigt, so dass die Software einen hohen Schutz vor Fehlplanungen bietet.