Trinkwassererwärmung – schnell, hygienisch und energieeffizient

Ein Spannungsdreieck zwischen Trinkwasserhygiene-, Komfort- und Energieeffizienz-Anforderungen stellt sich Planern und Installateuren mit der Trinkwassererwärmung im Wohnungsbau.

Stehen Hygiene, Effizienz und Komfort in einem Gegensatz? Ja, wenn man von herkömmlichen Trinkwassererwärmungs- und Verteilsystemen ausgeht, wie das Beispiel der Warmwasserzirkulation zeigt. Hoher Komfort aber systematische Schwächen in der Erhaltung der Trinkwasserhygiene wie z.B. bei dauerhaft auftretenden Hot-spots stagnierender Warmwasserabzweige in die Etage. Energieeffizient ist das Zirkulieren von Trinkwasser mit 60/55 °C ebenfalls nicht, insbesondere wenn Wärmepumpen zum Einsatz kommen sollen. Auch ein Absenken der Zirkulationstemperaturen bleibt nicht ohne Hygienemängel und ist ohne hohen anlagentechnischen- und zusätzlichen Überwachungsaufwand kaum möglich. Abseits der klassischen Warmwasserverteilung ergeben sich heute aber deutlich einfachere und sichere Konzepte für sauberes Trinkwasser, hohen Warmwasserkomfort und höhere Energieeffizienz, wie der nachfolgende Beitrag zeigt.

Kurzer Rückblick ins Jahr 2022: Eine Energiekrise erfasst Europa und in der deutschen Medienlandschaft wird eifrig diskutiert, wie man Energie einsparen könne, damit uns nicht im Winter das Erdgas ausgeht. Zum Teil skurrile Einlassungen von Politikern, wie die Nutzung von Waschlappen und die Reduzierung der Warmwassertemperatur am Warmwasserspeicher sollten u.a. praktiziert werden. Empörung ging durch die Fachwelt, die gebetsmühlenartig die geltenden technischen Regeln für Trinkwassertemperaturen in Warmwasserspeichern und die damit verbundenen trinkwasserhygienischen Konsequenzen erläuterten. Soweit völlig richtig, denn das Absenken der Speicher- oder Zirkulationstemperatur führt ganz sicher zu Energieeinsparungen aber auch zu Legionellenwachstum, womit wir wieder zurück in unserem Spannungsdreieck angekommen wären. Energiesparen mit Speicher- und Zirkulationssystemen geht nicht ohne sinkenden Komfort und Hygienemängel. Da der Erhalt der Trinkwasserhygiene ein hohes Gut und über die TrinkwV als Gesetz im Verbraucherschutz fest verankert ist, erübrigt sich damit jede weitere Diskussion um Komfort und Energieeinsparung? Klares Nein, denn mit dezentraler Trinkwassererwärmung über Wohnungsstationen und insbesondere mit Hybrid-Wohnungsstationen (Bild 1) lässt sich das Spannungsdreieck einfach auflösen.

Hygienisch sicher und energieeffizient

Nehmen wir das Beispiel eines Trink-Warmwasserspeichers am PWH-Austritt regelkonform mit 60 °C betrieben. Allein die Speicher-Bereitschaftsverluste für die Aufrechterhaltung der trinkwasserhygienisch erforderlichen 60 °C kostet enorm viel Energie. Ganz konkret sind dies für einen 500 L Speicher der Energieeffizienz-Klasse B im Jahr rund 620 kWh. Weil man sich nicht viel darunter vorstellen kann, folgender Vergleich: Mit diesen 620 kWh Energie könnte man rund 11.000 Liter Trinkwasser von 12 °C auf 60 °C aufheizen. Bild 2 zeigt den Temperaturabfall im oben erwähnten 500 L Speicher mit zwei verschiedenen Starttemperaturen. Ausgehend von 60 °C verliert der Speicher innerhalb der ersten 5 Stunden 6 °C. Ausgehend von 40 °C Starttemperatur, diesmal als reiner Heizungs-Pufferspeicher zur Versorgung von dezentralen Hybrid-Wohnungsstationen angewendet, verliert ein Speicher gleicher Qualität und Größe innerhalb von 5 Stunden nur noch 3,6 °C und damit 40 Prozent weniger Energie. Auf der Wärmeerzeuger-Seite ergeben sich für die Speicherung von niedriger temperiertem Heizungswasser mit 40 °C weitere Effizienzvorteile durch einen um 65 % höheren COP während der Speicherladung. Auch die Verteilung von Heizungs-Wasser mit 40 °C im Gebäude zu den Wohnungsstationen ist unstrittig mit geringerem Energiebedarf zu bewerkstelligen und trinkwasserhygienisch völlig unproblematisch.

Die Lösung für einfach umzusetzende und nachhaltige Trinkwasserhygiene sowie deutlich verbesserte Energieeffizienz liegt also zunächst einmal in der dezentralen Trinkwassererwärmung, denn nur das ermöglicht den Verzicht auf Bevorratung in einem, auf hoher Temperatur gehaltenen, Trinkwasser-Speicher und den zugehörigen Zirkulationsleitungen, die allein zur Aufrechterhaltung der 60 °C/55 °C Betriebsweise etwa 50 Prozent des Energieverbrauchs für die Bereitstellung von Warmwasser benötigt, wie sich in einer Vielzahl vermessener Anlagen innerhalb der Studie der Forschungsstelle für Energiewirtschaft, München bestätigt [1]. Mit dezentralen Wohnungsstationen wird nur dann Trinkwasser im Durchfluss erwärmt, wenn es auch tatsächlich benötigt wird. Dies ist nicht nur trinkwasserhygienisch von Vorteil, sondern es vermeidet auch die Energiespeicherung in Trinkwasser, genauso wie es die DIN 1988-200 aus Gründen der Trinkwasserhygiene empfiehlt.

Effizienz-Booster Hybrid-Station

Noch effizienter und gleichzeitig hygienisch sicher geht es nur noch mit dezentralen Hybrid-Stationen. Um einerseits Energieverluste weitestgehend zu minimieren und die Wärmepumpe ganzjährig mit bestmöglicher Jahresarbeitszahl Wärme bereitstellen zu lassen, nutzen Hybrid-Wohnungsstationen zwei Energiequellen. Bild 3 zeigt beispielhaft das Fließschema einer Wärmepumpen-Anlage und dezentraler Hybrid-Wohnungsstation. Der Vorteil der dezentralen Lösung ist die optimierte Betriebsweise der Wärmepumpe. So kann auch bei sehr niedrigen Heizungs-Vorlauftemperaturen von 35 – 45 °C eine komfortable Warmwassertemperatur von 40 – 60 °C erreicht werden. Dabei erfolgt die Warmwasserbereitung im reinen Durchflussbetrieb zunächst über einen leistungsstarken Edelstahl-Plattenwärmetauscher. Durch den hohen Volumenstrom und die geringe Spreizung von ca. 3 bis 5 K, wird das Kaltwasser (PWC) auf ca. 34 bis 37 °C erwärmt. Die Nachheizung auf die gewünschte Warmwassertemperatur je nach Bedarf zwischen 40 °C – 60 °C erfolgt über den integrierten, elektrisch betriebenen Durchlauferhitzer. Bild 4 zeigt dazu die Energiebilanz einer Hybridstation während einer 10-minütigen Warmwasserentnahme (Dusche). Bei 40 °C Heizungs-Vorlauftemperatur wird das kalt nachströmende Trinkwasser im Edelstahl-Plattenwärmetauscher von 13 °C auf 34 °C erwärmt. Der Temperaturhub von 8,5 K auf die Zapftemperatur von hier 42,5 °C wird durch den integrierten Durchlauferhitzer erreicht. Im Ergebnis werden für die typische Warmwasserentnahme über die Dusche etwa 72 Prozent der Energie für die Trinkwassererwärmung mit einem hohen COP von 4,4 erzeugt, 28 Prozent werden über den integrierten Durchlauferhitzer mit einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 6 kW bereitgestellt.

In dem gezeigten Beispiel bleiben mögliche weitere Energieeffizienz-Verbesserungen im Sommer zum Beispiel durch die Einspeisung von Solarenergie aus PV-Überschüssen oder einer Solarthermie-Anlage sogar noch unberücksichtigt. Diese würden phasenweise das Nacherwärmen über den Durchlauferhitzer unnötig machen und den Anteil Erneuerbarer Energien zu Trinkwassererwärmung im Jahresverlauf weiter erhöhen. Mit bis zu 40 Prozent geringerem Energieverbrauch für die Bereitstellung von Warmwasser kann bei einem Mehrfamilienhaus mit 8 Wohneinheiten gerechnet werden, wie ein Vergleich der dezentral, hybriden mit herkömmlicher zentraler Trinkwasser-Erwärmung und Zirkulation zeigt (Bild 5). Hierzu wurden die Effizienz der Wärmeerzeugung über eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, Speicherbereitschafts- und Verteilverluste beider Systeme berechnet und miteinander verglichen.

44-grädiges Warmwasser innerhalb von 3 Sekunden

Auch der Warmwasserkomfort von Hybridstationen wie dem „Uponor CombiPort M Hybrid“ kann sich sehen lassen. So benötigt die genannte Hybridstation bei 40 °C Heizungs-Vorlauftemperatur lediglich 3 Sekunden, um nach Zapfbeginn Warmwasser mit 44 °C zu liefern (Bild 6). Möglich macht dies das Zusammenwirken des Plattenwärmetauschers und des nachgeschalteten Durchlauferhitzers, der die Auslauftemperatur direkt nach Zapfbeginn anhebt und danach modulierend dem vom Plattenwärmetauscher kommenden Temperatur-Niveau nachführt.

Fazit

Das Spannungsdreieck innerhalb der Trinkwasser-Erwärmung Hygiene, Komfort und Energieeffizienz kann mithilfe von dezentralen Wohnungsstationen und insbesondere mit dezentralen Hybrid-Stationen aufgelöst werden. Haftungsrisiken durch Legionellenwachstum, das beim Absenken von Zirkulationstemperaturen entsteht sowie hohe Speichertemperaturen und in Folge Speicherbereitschafts- und Zirkulationsverluste, die zum Energieeffizienzproblem für Wärmepumpen werden, können Planer und Heizungsbauer mit dezentralen Wohnungsstationen sicher und einfach ausschließen. Darüber hinaus sind Wohnungsstationen in der Lage schnell und ausreichend warmes Wasser für einen hohen Warmwasser-Komfort zu liefern.

Dezentral, hybride Trinkwassererwärmung ist nicht nur trinkwasserhygienisch sicherer, sie spart zudem 40 Prozent Energie für die Bereitstellung von Warmwasser gegenüber zentralem Speicher und Zirkulation ein. Nicht zuletzt: Die JAZ von Wärmepumpen und damit der Anteil nutzbarer Erneuerbarer Energien steigt mit Hybridstationen, weil keine hohen Speichertemperaturen mehr erforderlich sind. Solarstrom-Überschüsse oder Wärme aus Solarthermie lassen sich einfach über den Pufferspeicher einkoppeln.