Effizienz und Hygiene in Einklang – welches System bringt‘s?

Damit die Energiewende gelingt, muss der Verbrauch fossiler Brennstoffe drastisch reduziert werden. Ein Ansatzpunkt ist es dabei,...

...den Aufwand für die Warmwasserbereitung zu verringern bzw. die dafür notwendige Wärmeenergie aus „grünem Strom“ zu gewinnen. Denn der Anteil des Wärmebedarfs privater Haushalte liegt für Trinkwasser warm (PWH) im Durchschnitt bei rund 19 Prozent [1], in Effizienzhäusern sogar noch höher. Dass die Elektrifizierung der Warmwasserbereitung über dezentrale Durchlauferhitzer aber kein „Königsweg“ ist, wird sehr schnell bei einer ganzheitlichen Betrachtung des Themas unter Einbeziehung der Aspekte Trinkwasserhygiene, Energieeinsatz, Bau- und Betriebskosten sowie Komfortanspruch deutlich.

Das 2021 novellierte Klimaschutzgesetz sieht eine weitere, deutliche Reduzierung der CO!SUB(2)SUB!-Emissionen für den deutschen Gebäudesektor vor. Als neues Emissionsziel für 2030 sind nun 67 Millionen Tonnen CO!SUB(2)SUB!-Äquivalent festgeschrieben. Das soll jedoch nur ein markanter Meilenstein zur CO!SUB(2)SUB!-Neutralität im Jahr 2045 sein: In der Konsequenz ist der Einsatz fossiler Brennstoffe mittelfristig noch stärker zu reduzieren als ohnehin bereits geplant. Aufgrund des wachsenden Anteils erneuerbarer Energien am deutschen Strommix besteht daher die Hoffnung, dass mit zunehmender Elektrifizierung – wie beispielsweise E-Autos im Verkehrssektor – der CO!SUB(2)SUB!-Ausstoß nachhaltig zurückgeführt werden kann. Ist in der Haustechnik analog dazu Strom in Form einer dezentralen Trinkwassererwärmung mit Durchlauferhitzern tatsächlich auch ein nachhaltiger Weg?

Die Antwort auf diese Frage sei aus guten Gründen hier zunächst einmal ein wenig relativiert: Um fossile Energieträger im Gebäudesektor weiter zu substituieren, spielt die Frage der zentralen oder dezentralen Trinkwassererwärmung zwar eine wichtige, aber nicht die alles entscheidende Rolle. Denn für beide Systeme können erneuerbare Energien eingesetzt werden – allerdings mit unterschiedlich hohem Aufwand. Entscheidend für die Systemfrage bleibt in erster Linie vielmehr die Absicherung der Trinkwassergüte – und dann erst stellt sich die nach der Wirtschaftlichkeit und der Effizienz. Welche Vor- und Nachteile haben die zentrale und dezentrale Trinkwassererwärmung also im hygienischen Vergleich?

Der Hygiene-Vergleich

Es hält sich nach wie vor die Ansicht, eine dezentrale Trinkwassererwärmung per Elektro-Durchlauferhitzer beuge Legionellen vor, da kein Wasser gespeichert werde. Diese (falsche!) Annahme hat das Umweltbundesamt (UBA) bereits 2018 in einer Mitteilung richtiggestellt (Abb. 4). Darin heißt es auszugsweise: „Bislang werden dezentrale Trinkwassererwärmer als sicher im Hinblick auf eine Legionellenkontamination angesehen. Neuere Erkenntnisse zeigen jedoch, dass es auch in dezentralen Trinkwassererwärmern und in den dahinterliegenden Leitungen zu einer Legionellenvermehrung kommen kann. Bei der Abklärung von Legionelleninfektionen sind auch dezentrale Trinkwassererwärmer in die Ursachensuche einzubeziehen“.[2]

Die Untersuchung von Probenahmen in einer Apartmentanlage mit 84 Wohneinheiten, durchgeführt vom Medizinaluntersuchungsamt und Hygiene am Universitätsklinikum Kiel, belegt ebenfalls die vom UBA erwähnten Erkenntnisse. Die Ergebnisse sind alarmierend: In jedem Apartment versorgen Durchlauferhitzer die Bewohner mit Trinkwasser warm (PWH). Die 3-Liter-Regel zur Bemessung des längsten, zulässigen Leitungswegs vom Trinkwassererwärmer bis zur Entnahmestelle gemäß DIN 1988-200 und DVGW-Arbeitsblatt W 551 wurde eingehalten. Dennoch zeigten Probenahmen aus Kalt- und Warmwasser eine hohe Kontamination. Die Untersuchungen auf Legionellen ergaben in 54 Prozent der Wohnungen Konzentrationen oberhalb des technischen Maßnahmenwertes, in 12 Prozent der Wohnungen sogar oberhalb des Gefahrenwertes von 10.000 KBE/ 100 ml – unabhängig davon, ob die Apartments leer standen oder bewohnt waren. Selbst bei Temperatureinstellungen am Durchlauferhitzer von über 50 °C wurden teilweise hohe Belastungen mit Legionellen festgestellt – trotz regelmäßiger Nutzung der Entnahmestellen.[3]

Diese Ergebnisse sind nicht überraschend. Zum einen fehlt nach wie vor der Positivnachweis für eine nachhaltige Trinkwasserhygiene bei einer dezentralen Trinkwassererwärmung. Zum anderen hat die wissenschaftlich belegte Wechselwirkung von Temperatur, Durchströmung, Wasseraustausch und Nährstoffen (Abb. 6) als entscheidende Parameter der Trinkwassergüte unverändert Bestand. Somit ist gerade die vielfach ausschlaggebende Überlegung für ein dezentral elektrisches System das größte Hygienerisiko: Energie zu sparen, in dem Trinkwasser nur bedarfsbezogen und dann auch nur auf Wunschtemperatur erwärmt wird. Denn wird in den Leitungsabschnitten zwischen Durchlauferhitzer und Entnahmestelle das Trinkwasser lediglich auf die Nutzungstemperatur erhöht – etwa 35 °C für das Händewaschen und bis 43 °C für das Baden – verbleibt Trinkwasser warm mitten im kritischen Temperaturbereich für das Legionellenwachstum. Der beginnt ab 20 °C und geht bis 55 °C (Abb. 7).

Das Temperaturregime der DIN 1988-200 für Zirkulationssysteme – 60 °C am Speicheraustritt und 55 °C am Speichereintritt – ist daher nicht lediglich eine Notwendigkeit für dieses Verteilungssystem, sondern als Grundsatz für den Erhalt der Trinkwassergüte von PWH anzusehen. Dies wird auch durch die Technische Regel des DVGW Arbeitsblatts W 551 unterstrichen. Darin wird für Kleinanlagen die Einstellung der Reglertemperatur am Trinkwassererwärmer auf 60 °C empfohlen. Betriebstemperaturen < 50 °C sollten in jedem Fall vermieden werden. Andernfalls ist der Betreiber auf das potenzielle Gesundheitsrisiko durch Legionellen hinzuweisen.[4] Ein dauerhaftes Unterschreiten der Temperatur von Trinkwasser warm < 50 °C bei Klein- und < 55 °C bei Großanlagen ist also nur durch geeignete Kompensationsmaßnahmen innerhalb des Wirkkreises der Trinkwassergüte zu tolerieren. Welche das sein können, ist derzeit Gegenstand wissenschaftlicher Forschungsprojekte.

Der Energie-Vergleich

Für die seriöse energetische Analyse einer dezentralen und zentralen Trinkwassererwärmung ist einerseits die Effizienz der Systeme zu betrachten, und andererseits die Möglichkeit, erneuerbare Energien wirtschaftlich zu nutzen. Beide Aspekte sind jedoch direkt miteinander verbunden.

In puncto Energieeffizienz scheinen dezentrale Durchlauferhitzer vordergründig gewisse Vorteile gegenüber einer zentralen Trinkwassererwärmung aufzuweisen. In einem zirkulierenden System treten Wärmeverluste sowohl am Trinkwasserspeicher als auch über die Zirkulationsleitungen auf. In einem Effizienzhaus der Stufe EH 55 können diese 19 Prozent der Nutzenergie betragen (Abb. 8).[5] Darüber hinaus erfordert die Zirkulationspumpe Strom. Wie hoch diese Energieaufwendungen insgesamt sind, hängt von der Größe der Trinkwasser-Installation ab.

Doch dieser Energieeinsatz ist wie zuvor beschrieben aufgrund der Mikrobiologie des Trinkwassers erforderlich, um die Hygiene nicht zu gefährden. PWH ohne geeignete Kompensationsmaßnahmen dauerhaft unterhalb der 55 °C-Grenze zu belassen, ist kein geeignetes Mittel, um Energie zu sparen. Allerdings gibt es zulässige und wirksame Maßnahmen, die kritisierten Wärmeverluste in Zirkulationssystemen massiv zu reduzieren. Neben der vorgeschriebenen Rohrdämmung zählen dazu beispielsweise Inliner-Systeme. Dabei wird die Zirkulationsleitung (PWH-C) im Rohr des Steigestrangs für Trinkwasser warm installiert und so die Rohroberfläche, über die Wärme entweichen kann, praktisch halbiert (Abb. 9).

Zunehmende Bedeutung für die energetische Bewertung eines Gebäudes hat zweifellos die Nutzung regenerativer Energiequellen. Wird beispielsweise der Energiebedarf für Raumwärme und Warmwasser zu mehr als 55 Prozent über erneuerbare Energien gedeckt, sind deutlich höhere Förderungen möglich. So sieht es die neue Bundesförderung für effiziente Gebäude für Wohngebäude und Nichtwohngebäude vor (BEG WG und BEG NWG). Gerade Umweltwärme lässt sich für die zentrale Trinkwassererwärmung recht einfach nutzen. Beispielsweise indem eine Wärmepumpe und/oder eine Solarthermieanlage die erneuerbare Energie in einem Multifunktionsspeicher puffert, der über entsprechende Wärmetauscher dann zur Trinkwassererwärmung und für Raumwärme dient (Abb. 3).

Damit wird im Übrigen Strom für die Trinkwassererwärmung am effektivsten genutzt. Denn bei einem Coefficient of Performance (COP) von 3,5 – einer typischen Leistungszahl für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe – erzeugt die elektrische Antriebsenergie der Wärmepumpe das 3,5-Fache an Wärmeenergie. Elektro-Durchlauferhitzer hingegen wandeln Strom 1:1 in Wärme um. Daher ist fraglich, ob bei einer überwiegend elektrischen, dezentralen Trinkwassererwärmung die Stromnetze für einen so hohen zusätzlichen Leistungsbedarf mittelfristig adäquat ertüchtigt werden könnten. Die zum Teil verpflichtende Fernabschaltung von Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge weist auf diese Problematik hin.

Um erneuerbare Energien in Verbindung mit dezentralen Durchlauferhitzern zu nutzen, ließe sich theoretisch der Strombedarf über eine Photovoltaikanlage decken. Allerdings wäre hierfür ein aufwendiges Batteriespeichersystem erforderlich. Die benötigte Batteriegröße, um Elektro-Durchlauferhitzer mit 21 kW und mehr Leistung bei typischem Bedarfsverlauf und üblichen Gleichzeitigkeiten für PWH in Mehrfamilienhäusern mit gespeichertem PV-Strom zu versorgen, darf als unwirtschaftlich gelten. Ebenso als unrealistisch anzusehen ist wohl die Erwartung, dass über einen steigenden Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Strommix der Bezug von Netzstrom den steigenden Umweltanforderungen genügt: Besonders intensiv wird aktuell diskutiert, ob nicht durch E-Mobilität und die Erzeugung grünen Wasserstoffs der Strombedarf in Deutschland 2030 deutlich höher sein wird als die Bundesregierung derzeit prognostiziert.[6] Das würde nicht nur den Anteil erneuerbarer Energien am Strommix reduzieren, sondern zusätzlich den Strompreis spürbar nach oben treiben.

Unabhängig von dieser Diskussion ist die Nutzung „kostenloser“ Umweltwärme – wie über eine Wärmepumpe oder Solarthermie – im Vergleich zu Strom also weiterhin die günstigere Energiequelle für die Warmwasserbereitung.

Der Baukosten-Vergleich

In der Gegenüberstellung der Installationskosten wiederum – als dritten wichtigen Punkt im Systemvergleich – ist der Materialeinsatz einer zentralen Trinkwassererwärmung durch die zusätzliche Zirkulationsleitung zweifellos geringfügig höher als bei dezentraler Erwärmung. Welche Auswirkung das auf die Baukosten hat, ist für jedes Projekt gesondert zu ermitteln. Dabei ist jedoch mehr als nur das Installationsmaterial für die Zirkulationsleitung und für den zentralen Warmwasserspeicher mit den Kosten für elektrische Durchlauferhitzer zu vergleichen. Denn einen maßgeblichen Kostenpunkt bei einer dezentralen elektrischen Lösung stellen die Netzanschlusskosten dar – insbesondere bei Mehrfamilienhäusern. Gemäß Niederspannungsanschlussverordnung (NAV) können Netzbetreiber bei Leistungsanforderung über 30 kW einen Baukostenzuschuss in Rechnung stellen. Er darf bis zu 50 Prozent der Kosten betragen, die für die Verstärkung der örtlichen Verteileranlagen des Niederspannungsnetzes einschließlich Transformatorenstationen anfallen (§ 11 NAV).[7] Wie hoch der effektive, elektrische Leistungsbedarf von Wohngebäuden in Abhängigkeit der Anzahl der Wohneinheiten und des Gleichzeitigkeitsfaktors für die Warmwassernutzung ist, lässt sich dabei aus der DIN 18015-1 ableiten.[8] Mit steigender Anzahl von Wohneinheiten je Gebäude fallen in Summe dadurch die Kosten für elektrische Durchlauferhitzer und Netzanschlusskosten in der Regel höher aus als der vermeintliche Mehraufwand für die Installation einer zentralen Trinkwassererwärmung (Abb. 5).

Der Komfort-Vergleich

Die Ausstoßzeit für Trinkwasser warm als weiteres Kriterium ist insbesondere wichtig, wenn die Komfortstufe III nach VDI 6003 vereinbart wurde.[9] Für eine Dusche gilt dann beispielsweise, dass nach sieben Sekunden am Duschkopf die Wunschtemperatur anliegen muss. Ein fundierter Vergleich der zentralen und dezentralen Trinkwassererwärmung zeigt: Für beide Systeme gibt es technische Lösungen, um diesen Warmwasserkomfort zu erreichen (Abb. 1). Bei elektrischen Durchlauferhitzern sind dazu elektronisch statt hydraulisch geregelte Geräte zu installieren; ein finanzieller Mehraufwand. Bei der zentralen Trinkwassererwärmung lassen sich kurze Ausstoßzeiten durch Mehrschichtverbundrohre mit geringen Zeta-Werten in der Stockwerksverteilung sicherstellen. Ohne die Zirkulation bis in die Etage zu legen, können Reihenleitungen in der Dimension 16 mm bis zu 10 Meter Länge installiert werden. Die Ausstoßzeiten nach VDI 6003 werden eingehalten.

Fazit

Die erforderliche Energie- und Wärmewende für mehr Klimaschutz setzt in Teilen auf eine zunehmende Elektrifizierung. Eine Systemwende bei der Trinkwassererwärmung von zentral mit Zirkulationsleitung zu dezentral mit elektrischen Durchlauferhitzern für jede Wohneinheit ist damit jedoch nicht automatisch zu verknüpfen. Denn eine dauerhafte Temperatur von PWH < 55 °C, wie dies in Durchlauferhitzern und den Rohrleitungen dahinter der Fall ist, kann aus Sicht der Trinkwasserhygiene keinesfalls toleriert werden. Die hygienische Unbedenklichkeit ist bislang nicht nachgewiesen.

Der Trend zu erneuerbaren Energien im Gebäudesektor – der mit hohen Fördergeldern der BEG weiter Auftrieb bekommt – lässt perspektivisch den Absatz von Wärmepumpen weiter steigen. Inzwischen sind effiziente Wärme-pumpen marktfähig, die ebenfalls für die energetische Gebäudesanierung geeignet sind. In Kombination mit einem Zirkulationssystem lässt sich so ein hoher Anteil erneuerbarer Energien auch für die Trinkwassererwärmung erreichen – insbesondere, wenn zusätzlich Solarthermie zur Speichererwärmung genutzt wird. Beim Baukosten-Vergleich sind im Geschosswohnungsbau elektrische Durchlauferhitzer in der Regel teurer als zentrale Lösungen. Was die Betriebskosten betrifft, ist zudem mit steigenden Stromkosten zu rechnen. Ein hoher Anteil von Umweltwärme in der dezentralen PWH-Bereitung ist hingegen von den Preisentwicklungen auf dem Energiemarkt entkoppelt.

Literatur

[1] Entwicklung des Wärmeverbrauchs in Deutschland, Basisdaten und Einflussfaktoren, 5. aktualisierte Ausgabe, BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V., 27.05.2021.

[2] Mitteilung des Umweltbundesamtes (UBA), Vorkommen von Legionellen in dezentralen Trinkwassererwärmern, 12/2018.

[3] M. Hippelein, B. Christiansen, Hygienische Bewertung dezentraler Trinkwassererwärmer großer Appartementanlagen hinsichtlich mikro-biologischer Verunreinigungen und einer Legionellenkontamination, Zentrale Einrichtung Medizinaluntersuchungsamt und Hygiene, UKSH Kiel, Projektbericht Dezember 2016.

[4] DVGW W 551:2004-04; Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen – Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums – Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen.

[5] Technische Universität München; Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gerhard Hausladen – „Beitrag zur energieeffizienten Trinkwassererwärmung Messtechnische Untersuchungen zur Bewertung und Optimierung von Trinkwassererwärmungs-systemen“; Dissertation Jürgen Zeisberger; 01.06.2017.

[6] EWI ANALYSE, Die Auswirkungen des Klimaschutzprogramms 2030 auf den Anteil erneuerbarer Energien an der Stromnachfrage; Ener-giewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln (EWI) gGmbH; Max Gierkink & Tobias Sprenger; Köln; Januar 2020.

[7] Niederspannungsanschlussverordnung vom 1. November 2006 (BGBl. I S. 2477), die zuletzt durch Artikel 35 des Gesetzes vom 23. Juni 2021 (BGBl. I S. 1858) geändert worden ist.

[8] DIN 18015-1:2020-05; Elektrische Anlagen in Wohngebäuden – Teil 1: Planungsgrundlagen.

[9] VDI 6003:2018-08; Trinkwassererwärmungsanlagen – Komfortkriterien und Anforderungsstufen für Planung, Bewertung und Einsatz.