Was bedeuten kleine Wärmeerzeuger für den Warmwasserbetrieb?

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kring

Die Wärmeschutzverordnung (WSchV) aus dem Jahr 1995 hat das Ziel, den CO₂-Ausstoß bis zum Jahr 2005 um 25% zu senken. Mit dieser Verordnung sinkt der Wärmebedarf je nach Gebäudeausführung um 25 bis 35% gegenüber Gebäuden nach der WSchV aus dem Jahre 1982. Das bedeutet für ein Einfamilienwohnhaus einen Gesamtwärmebedarf von 6 bis 8 kW je nach Gebäudeart und -größe (Bild 1). Setzt der Heizungsfachbetrieb Wärmeerzeuger mit dieser Leistungsgröße zur Gebäudebeheizung ein, stellt sich sofort die Frage, ob ein Wärmeerzeuger mit z.B. 6 kW auch in der Lage ist, Warmwasser mit einem angemessenen Komfort zu liefern.

Warmwasserbedarf

Der Warmwasserbedarf ist in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen. Heute verbraucht ein 4-Personenhaushalt durchschnittlich ca. 200 Liter Warmwasser pro Tag. Für diesen Bedarf muß der Speicher-Wassererwärmer dimensioniert werden. Maßstab für die Bemessung des Speicher-Wassererwärmers ist die sog. Bedarfskennzahl. Sie gibt an, wie viele Standardfamilien mit einem Speicher-Wassererwärmer unter Vorgabe bestimmter Normverbraucher (Badewanne, Dusche, Waschbecken etc.) bedient werden können (DIN 4708 Teil 2 und Teil 3). Dabei darf die Auslauftemperatur aus dem Speicher-Wassererwärmer nicht unter 45°C absinken. Aus dieser "Normzapfung" ergibt sich die erforderliche Wärmeerzeugerleistung.

Bild 1: Wärmebedarf von Gebäuden nach der WSchl/'95.

Größe des Speicher-Wassererwärmers und des Wärmeerzeugers

Bild 2 zeigt die für einen Einfamilienhaushalt erforderliche Größe des Speicher-Wassererwärmers in Abhängigkeit der Wärmeerzeugerleistung. Daraus geht hervor, daß mit sinkender Wärmeerzeugerleistung die Speicherinhalte deutlich ansteigen müssen, um die Anforderung der NL-Zahl von 1 zu erfüllen. Zugrunde liegt dem Diagramm das folgende Zapfprogramm

Auslauftemperatur = 45°C

Kaltwassereintrittstemperatur = 10°C bei den Auslaufmengen

10 l/min : 10 min
14 l/min : 10 min
7 l/min : 10 min

Dazwischen mit jeweils 20 Minuten Pause. Dieses Zapfprogramm ist praxisnäher und etwas schärfer als die Messungen zur NL-Zahl von 1 nach DIN 4708 Teile 2 und 3.

Bild 2: Abhängigkeit zwischen der Größe des Speicher-Wassererwärmers und der Wärmeerzeugerleistung bei der NL-Zahl von 1.

Warmwasserbetrieb

Was passiert aber im praktischen Warmwasserbetrieb, wenn z.B. ein Wannenbad mit 14 l/min bei einer Zapfdauer von 10 Minuten gezapft wird? Wie verhält sich die Heizungsanlage? Wie lange dauert der Nachladevorgang bzw. wie lange ist im Winterbetrieb der Wärmeerzeuger vom Heizungsnetz getrennt?

Als Komfortanforderung an das System hat sich in der Praxis eine Nachladezeit von ca. 30 Minuten für z.B. ein Wannenbad als optimal erwiesen. Anders gesagt: Dreht ein Benutzer den Wasserhahn auf, sollte sichergestellt sein, daß der nächste Benutzer nach ca. 30 Minuten ebenfalls baden oder duschen kann. Nach dieser Zeit muß die Heizungsanlage die gezapfte Warmwassermenge wieder nachgeladen haben. Für den Warmwasserkomfort ist die Nachladezeit besonders bei kleinen Speicher-Wassererwärmern wichtig. Bei großen Speichern ist der Komfort durch das größere Speichervolumen sichergestellt.

Die Nachladezeit ist jedoch nicht nur für den Warmwasserkomfort entscheidend. Ist der Wärmeerzeuger durch den Warmwasserbetrieb längere Zeit vom Heizungsnetz getrennt, kann es zum Absinken der Raumtemperatur und damit zum Komfortverlust für die Benutzer kommen. Besonders nach dem Lüften von Räumen während des Warmwasserbetriebes kann es den Benutzern zu lange dauern, bis die Heizkörper und damit die Räume wieder warm werden.

Bild 3: Aufheizkurve eines 6-kW-Wärmeerzeugers mit einem Speicher-Wassererwärmer mit 200 Litern Inhalt.

In Bild 3 ist die Aufheizkurve eines 6-kW-Wärmeerzeugers in Verbindung mit einem 200-Liter-Speicher-Wassererwärmer gezeigt, während ein Wannenbad mit 140 Litern von 45°C bei einer Zapfzeit von 10 Minuten gezapft wird. Dies entspricht einer Entnahmemenge aus dem Speicher von 98 Litern. Ausgangspunkt ist ein gefüllter Speicher von 60°C. Aus diesen Kurven lassen sich zwei wesentliche Aussagen bilden:

a) Die im Speicher-Wassererwärmer vorgehaltene Warmwassermenge ist für diesen Bedarfsfall völlig ausreichend. Die Auslauftemperatur sinkt nur leicht ab.

b) Die Temperatur am Warmwasserfühler, der in ca.¹/₃ der Speicherhöhe montiert ist, bricht nach etwa 5 Minuten heftig ein, so daß der Einschaltpunkt für die Nachladung unterschritten wird. Die Folge: Der Speicher-Wassererwärmer ist zu ca. 50% entleert und der Wärmeerzeuger lädt nach. Dazu benötigt er etwas länger als 60 Minuten. In dieser Zeit ist der Wärmeerzeuger vom Heizungsnetz abgekoppelt. Die Heizkörper werden kalt. Ist der Speicher vor Beginn der Zapfung jedoch schon teilweise entleert, verlängert sich die Nachladezeit weiter.

Bild 4: Nachladezeiten für Dusch- und Wannenbad im Winterbetrieb.

Finden sogar zwei oder drei Entnahmen im Abstand von ca. 20 bis 30 Minuten nacheinander statt, so verlängert sich die Nachladezeit auf über 100 Minuten. Eine so lange Trennung vom Heizungsnetz ist aber dem Betreiber nicht zuzumuten. Bild 4 gibt an, wie lange die durchschnittliche Nachladung für ein Wannenbad mit 14 l/min (10 Minuten Zapfzeit) und ein Duschbad mit 12 l/min (9 Minuten Zapfzeit) bei den unterschiedlichen Wärmeerzeugerleistungen dauert. Auch daraus ist ersichtlich, daß Wärmeerzeugerleistungen unter 10 kW für die Warmwassererwärmung nicht sinnvoll sind.

Konsequenzen

Aus den genannten Anwendungsfällen ist ersichtlich, daß mit sehr kleinen Wärmeerzeugerleistungen (z.B. 6 kW) in Verbindung mit sehr großen Speicher-Wassererwärmern (200 Liter und größer) zwar der erforderliche Warmwasserkomfort für einen Einfamilienhaushalt (3 bis 4 Personen) sichergestellt werden kann. Die sehr langen Nachladezeiten des Speicher-Wassererwärmers führen jedoch zu einem mehr oder weniger großen Komfortverlust im Heizbetrieb. Von daher ist es durchaus sinnvoll und richtig, die Wärmeerzeugerleistung an den Warmwasserbedarf anzupassen, damit es zwischen beiden Anforderungen - Warmwasser- und Heizbetrieb - zu einer optimalen Abstimmung kommt.

Bild 5: Leistungsbedarf für Beheizung und Warmwasserbereitung von Gebäuden nach der WSchlV/'95.

Trägt man die erforderliche Wärmeerzeugerleistung für den Warmwasserbetrieb gemeinsam mit dem Normwärmebedarf für Gebäude nach der WSchV '95 auf (Bild 5), so ist zu erkennen, daß

a. die minimale Wärmeerzeugerleistung für ein Einfamilienwohnhaus bei 10 bis 14 kW liegen sollte,

b. die erforderliche Wärmeerzeugerleistung durch die Warmwassererwärmung bestimmt wird. Dies ist bis zu Gebäuden mit etwa 20 Wohneinheiten der Fall.

Bild 6: Gas-Brennwertkessel, geeignet für Gebäude mit niedrigem Wärmebedarf.

Als Lösung erscheint daher manchem die Abtrennung der Warmwasserbereitung vom Wärmeerzeuger als notwendig. Dies war jedoch früher schon nicht empfehlenswert. Denn in Verbindung mit Niedertemperatur- oder Brennwertkesseln und deren hochwertiger Regeltechnik kommt dies einem Rückschritt gleich. Aus Betriebserfahrungen und Messungen an Praxis- und Prüfstandsanlagen ist zudem schon länger bekannt, daß leicht überdimensionierte Wärmeerzeuger keinen negativen Einfluß auf die Nutzungsgrade haben. Selbst Öl-Spezialheizkessel, die heute nicht unter 15 kW im Markt angeboten werden, entsprechen dieser Aussage. Bei der Auswahl der Wärmeerzeuger ist es aber wichtig darauf zu achten, daß der Normnutzungsgrad mit abnehmender Heizleistung konstant verläuft oder sogar noch ansteigt. Speziell für diesen Einsatzbereich gibt es Brennwertkessel (Bild 6). Dieser Kessel arbeitet modulierend mit einer Nennleistung von 4,6 bis 10,2 kW und erfüllt mit seinem sehr hohen Normnutzungsgrad von 109% (bei 40/30°C) alle Voraussetzungen für den energiesparenden Betrieb von Gebäuden mit niedrigem Wärmebedarf. Aber auch Niedertemperatur-Öl-/Gas-Spezialheizkessel und Gas-Spezialheizkessel mit Brenner ohne Gebläse erfüllen diese Anforderungen (Bild 7).

Bild 7: Gas-Spezialheizkessel mit Brenner ohne Gebläse. Auch diese Art von Kesseln eignen sich für die Beheizung und zur Warmwasserbereitung in Gebäuden mit niedrigem Wärmebedarf.

Zusammenfassung

Die Leistungen von Wärmeerzeugern können nicht beliebig verkleinert werden. Unter Berücksichtigung des minimalen Warmwasserkomforts ergibt sich die Größe des Wärmeerzeugers mit 10 bis 14 kW je nach Größe des Speicher-Wassererwärmers. Bei diesen Leistungen ist der Warmwasser- und der Heizkomfort sichergestellt. Die Nachladezeiten für ein Dusch- oder Wannenbad und damit die Betriebsunterbrechungen für die Heizungsanlage bewegen sich in vernünftigen Größenordnungen. Für den Einsatz sollten aber Wärmeerzeuger eingesetzt werden, die im Teillastbereich mit konstanten oder besser mit ansteigenden Normnutzungsgraden arbeiten.

B i l d e r : Schäfer Heiztechnik, Neunkirchen

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