Gesamtbetrachtung offenbart Einsparpotenziale - Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen: Studie vergleicht selbstregelnde Temperaturhaltebänder mit klassischen Zirkulationssystemen
Wärmepumpen gelten als idealer Wärmeerzeuger für Heizkreise mit niedriger Vorlauftemperatur wie Flächenheizungen. Aber auch bei großzügig dimensionierten Heizkörpern können sie ihre Vorteile ausspielen. Bei den geforderten 55 bis 60°C für die Trinkwassererwärmung sinkt ihre Leistungszahl allerdings deutlich. Da ein Großteil der Warmwasserenergie überdies in den Verteilrohren verloren geht, ist in diesem Fall ein energieeffizientes Verteilsystem wesentlich für die Gesamteffizienz. Die Technische Universität Dresden hat in einer Studie* herkömmliche Zirkulationssysteme mit Systemen auf Basis eines selbstregelnden Temperaturhaltebands verglichen.
Bild 1: Ansicht des untersuchten MFH.Bild: TU Dresden
Bild 2: Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe.Bild: TU Dresden
Bild 3: Primärenergieaufwand für Gesamtsystem, Wärmepumpe. Bild: TU Dresden
Eine etablierte Lösung zum Ausgleich der Wärmeverluste im Trinkwasser-Rohrnetz ist das Zirkulationssystem. Nach dem Vorlauf-Rücklauf-Prinzip zirkuliert das Warmwasser dabei langsam durch die Leitungen, sodass es an der Zapfstelle mit der gewünschten Temperatur zur Verfügung steht. Das sich abkühlende Wasser wird von einer Zirkulationspumpe in einem geschlossenen Kreislauf zurück zum Wärmeerzeuger gepumpt und dort erneut erhitzt.
Die Alternative zum Zirkulationssystem ist die Temperaturhaltung mit einem selbstregelnden Temperaturhalteband. Dieses wird unterhalb der Dämmung direkt am Rohr angebracht und kann Wärmeverluste dadurch ausgleichen. Gleichzeitig gewährleistet es, dass die Wassertemperatur nicht unter die gemäß DVGW W551 geforderten 55°C fällt. Durch das selbstregelnde Funktionsprinzip passt es seine Heizleistung an die Rohrleitungstemperatur an – Wärme wird dort erzeugt, wo sie gebraucht wird.
In der von der TU Dresden durchgeführten dynamischen Simulation wurde eine Einrohrlösung mit einem Temperaturhalteband untersucht. Um sicherzustellen, dass das System ausschließlich zur Warmwasser-Temperaturhaltung verwendet wird, wurde die Heizleistung mit einem elektronischen Leistungssteller gesteuert. Dies ermöglichte eine Nachtabsenkung der Temperatur auf 50°C. In zuvor ermittelten Zeiten starker Warmwassernutzung wurde das Temperaturhalteband außerdem ganz abgeschaltet. Für die Zirkulationspumpe wurde dagegen eine (gemäß DVGW W551 zulässige) achtstündige Nachtabschaltung vorgesehen.
Blick auf die Ergebnisse
Welche dieser beiden Lösungen ist unter energetischen Gesichtspunkten effizienter, ohne dabei trinkwasserhygienische Anforderungen nachteilig zu beeinflussen? Die Antwort auf diese Frage ist komplexer, als es ältere Studien nahelegen – denn sie erfordert eine ganzheitliche Betrachtung des Primärenergiebedarfs beider Ansätze. Daher wurde in der Studie das gesamte Warmwassersystem einschließlich der Interaktion seiner Bestandteile untersucht: Wärmeerzeuger, Wasserverteilsystem und Nutzerverhalten. Sie alle beeinflussen sich gegenseitig und können die Effizienz des untersuchten Modells steigern oder verringern.
Zweifelsohne ist der Wärmeerzeuger einer der wichtigsten Faktoren, wenn man ein Zirkulationssystem und ein Einrohrsystem mit Temperaturhalteband in puncto Energieeffizienz miteinander vergleichen will. Allerdings spielt auch das Nutzerverhalten eine wichtige Rolle. Deshalb wurden auch die Zapfzeiten und Wassermengen berücksichtigt. Das allgemeine Zapfprofil für die Studie ging von einem durchschnittlichen privaten Warmwasserverbrauch mit 100l pro Tag aus.
Energieeffiziente Lösung
Für die Zwecke der Studie wurde eine Wärmepumpe (66 kW) mit relativ kleinem Speicher (500l) ausgewählt, um eine hinreichende Vorlauftemperatur zu garantieren. Die Ergebnisse wurden nicht auf Basis der Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) ausgewertet, sondern anhand der Jahresarbeitszahl (JAZ). Im Gegensatz zum COP betrachtet die JAZ das gesamte Wärmepumpensystem einschließlich Verteilungsmethode über ein volles Jahr. Je höher die JAZ, desto energieeffizienter arbeitet also das System. Der COP ist demgegenüber ein vom Hersteller genannter Standardwert. Anders als bei der JAZ fließen hier keine externen Faktoren ein – betrachtet wird lediglich die Leistung der Wärmepumpe unter Idealbedingungen.
Die Studienergebnisse zeigen, dass die JAZ der betrachteten Wärmepumpe unter dem statischen COP-Wert liegt. Dies geht unmittelbar auf den Stromverbrauch der Wärmepumpe und das dynamische Systemverhalten zurück. Insbesondere kurze Schaltphasen führen zu deutlich niedrigeren Durchschnittswerten. Dieser Unterschied wird weiter verschärft, wenn die Wärmepumpe mit einem Zirkulationssystem kombiniert wird. Bei einer Rücklauftemperatur von 55°C oder mehr verhindert das Warmwasser eine Wärmeschichtung im Speicher infolge der Anordnung der Rücklaufleitung in der oberen Speicherhälfte. Es entsteht
eine größere Vermischungszone, wodurch sich die Wärmepumpe öfter einschalten muss und in einem höheren Temperaturbereich von 55 bis 60°C arbeitet. Teilweise ist daher eine elektrische Nachheizung erforderlich, wodurch die JAZ sinkt und der Betrieb der Wärmepumpe in Kombination mit dem Zirkulationssystem an Effizienz verliert.
Demgegenüber erreicht die Einrohrlösung mit Temperaturhalteband aufgrund der fehlenden Zirkulationsleitung infolge der niedrigen Rücklauftemperatur an der Wärmepumpe höhere JAZ-Werte. Weitere Vorteile des Temperaturhaltebands sind die geringere Schalthäufigkeit und die längere Schaltzyklendauer der Wärmepumpe.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Kombination aus Wärmepumpe und Zirkulationssystem zur Kompensation der Wärmeverluste etwa 40% mehr Primärenergie benötigt als die Variante mit Temperaturhalteband. Zwar lässt sich der Mehrbedarf durch ein Zirkulationssystem mit Nachtabschaltung auf 27% senken, die Lösung mit Temperaturhalteband bleibt jedoch im Vorteil. Sie ermöglicht nicht nur deutliche Einsparungen, sondern wirkt sich durch das günstigere Schaltprofil auch positiv auf die Lebensdauer der Wärmepumpe aus.
*) Die Ergebnisse beruhen auf einer Computersimulation eines typischen Mehrfamilienhauses mit 12 identischen Wohneinheiten, jede davon mit sechs beheizten Räumen und einer Wohnfläche von 94,7 m². Die Studie kann per E-Mail: salesde@tycothermal.com angefordert werden.
Autor: Knut Bittner, Produkt- und Marketingmanager bei Pentair Thermal Management.
www.thermal.pentair.com
