IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/1998, Seite 80 ff.
SANITÄR-/HEIZUNGSTECHNIK
Trinkwassererwärmung
Speichervolumen und Erwärmleistung im Ein- und Mehrfamilienhaus
Dipl.-Ing. Gerd Böhm* Teil 1
Die Trinkwassererwärmung beansprucht in neueren Gebäuden maximal etwa 20% der Brennstoffmenge. Wesentlich gravierender ist dagegen der Bedarf an Erwärmleistung. Er kann das Mehrfache der Norm-Gebäudeheizleistung betragen. Wird dies ignoriert, sind aus Komfortmangel entstehende Probleme, insbesondere im Mehrfamilienhaus, unausweichlich. Für Einfamilienhäuser ist die Situation nicht ganz so kritisch, weil es die von manchen herbeigesehnten Mini-Kesselleistungen glücklicherweise (noch) nicht gibt. Teil 1 betrachtet die Sachlage im Einfamilienhaus, Teil 2 im Mehrfamilienhaus.
Der Warmwasserbedarf des Einfamilienhauses ist durch eine ausgesprochen individuelle Charakteristik gekennzeichnet. Je nach Zahl und Nutzenerwartung der Bewohner kann der Bedarf von sehr niedrig bis sehr hoch gehen. Bei der Anlagenplanung kommt es also auf den richtigen Zuschnitt an.
Bild 1: Verschiedene Trinkwasser-Erwärmsysteme.
Trinkwassererwärmung im Einfamilienhaus
Das Warmwassersystem im Einfamilienhaus wird selten nach analytischen Überlegungen dimensioniert. Die Hersteller bieten konfektionierte Systemzusammenstellungen an, und man weiß eben, daß höhere Bedarfe schnell zu einem 200-Liter-Speicher führen. Dagegen ist nichts einzuwenden. Allerdings werden die Möglichkeiten immer komplexer (Bild 1): Wandkessel mit Klein- und Kleinstspeichern, Durchflußerwärmung, bodenstehende Kessel mit großvolumigen Speichern usw. Noch gravierender sind Konsequenzen, die immer leistungsschwächere Wärmeerzeuger mit sich bringen.
Überdimensionierung kostet Geld und Platz, Unterdimensionierung bringt Ärger, denn mangelnder Warmwasserkomfort wird häufig unmittelbarer erfahren als mangelnder Heizkomfort.
| Bild 2: Bandbreiten typischer Zapfraten. |
Der individuelle Nutzerbedarf des Einfamilienhauses scheint schwer erfaßbar. Für die Dimensionierung des Warmwassersystems ergeben sich aber relativ wenige Unsicherheiten, denn die Anforderung kommt primär nicht vom Nutzer, sondern der benutzten Armatur. Diese sind recht gut in gerätetypische "Zapfraten" einzuteilen (Bild 2). Von besonderer Wichtigkeit ist die Dusche. Eine genauere Eingrenzung ist mit Hilfe spezifischer Herstellerunterlagen möglich. Als Beispiel hierzu Bild 3.
| Bild 3: Durchflußdiagramm einer Handbrause nach Herstellerunterlagen. Ab l ist ein einwandfreies Strahlenbild gewährleistet. |
Der einzelne Nutzer hat zwei größere Einflußmöglichkeiten:
l Die zeitliche Beanspruchung der Armatur je Einzelbedarf
Hier bringt nur die Dusche einige Unsicherheiten. Das Waschbecken ist von der Anforderung her meist von untergeordneter Bedeutung und die Wanne setzt aufgrund ihres Füllvolumens nicht zu überschreitende maximale Grenzen.
l Die zeitlich wiederholte Beanspruchung der Armatur (serieller Bedarf)
Die Anlagendimensionierung muß sich nach dem geringstmöglichen Bedarfsabstand richten, da in diesem Fall die Anforderung am größten ist.
Ein einzelner Nutzer wird im allgemeinen nur serielle Bedarfe haben, da er kaum gleichzeitig an verschiedenen Stellen Wasser zapft. Er wird auch Dusche oder Wanne nicht in unmittelbarer Folge erneut benutzen. Die Anlagenplanung braucht somit nur einen einzelnen Spitzenbedarf, in der Regel das Wannenbad, zu berücksichtigen.
Bei zwei oder mehr Nutzern sind für jede Entnahmestelle dichteste serielle Bedarfe denkbar, wie auch die gleichzeitige (parallele) Nutzung verschiedener Entnahmestellen. Das mag sich kompliziert anhören, ist es aber nicht, da nur die sich möglicherweise ergebenden Spitzenbedarfe interessieren. Im komfortablen Einfamilienhaus mit einem Badezimmer dürfte der maximale Spitzenbedarf aus einer Abfolge zweier oder mehrerer Wannenbäder bestehen. Sind zwei Badezimmer vorhanden, ist mit dem Zusammentreffen von Dusche und Wanne zu rechnen.
Zu den erläuterten Sachverhalten nun einige Dimensionierungsbeispiele:
Beispiel 1: Anforderung für zwei oder mehr Wannenbäder in Folge
Wannenfüllung 150 l mit 40°C
Warmwasserkapazität
Fülldauer 10 Minuten
Badedauer 20 Minuten
Dauer für Wiederankleiden, Wannenreinigung usw. 10 Minuten
Ein weiteres Wannenbad kann also frühestens 40 Minuten nach Zapfbeginn zum ersten Bad erfolgen, das ist die kürzeste serielle Folge. Die Situation kann als Bedarfsprofil in ein Wärmeschaubild übertragen werden (Bild 4).
| Bild 4: Bedarfsprofil eines Wannenbades. |
Die Steigung des Profils während der 10 Minuten Wannenfüllung entspricht der erforderlichen Erwärmleistung bei Direkterwärmung.
Ist diese Leistung verfügbar, wäre der Bedarf ohne Notwendigkeit einer Bevorratung, im Durchfluß, zu erbringen. Ist die Leistung geringer, muß der gesamte Spitzenbedarf bevorratet werden. 5,2 kWh Warmwasserkapazität sind somit in ein Speichervolumen umzurechnen, das sich je nach gewählter Bevorratungstemperatur vom Bedarfsvolumen unterscheidet. Bei 55°C ergeben sich
als rechnerisches Volumen. Zu wählen ist das nächstgrößere handelsübliche Speichervolumen, z.B. 120 Liter. Es bevorratet die Kapazität
Die erforderliche Mindest-Erwärmleistung hat sich bei seriellem Bedarf nach dem zeitlichen Abstand zur nächsten Entnahme zu richten, hier 40 Minuten. Berücksichtigt man, daß aufgrund der üblichen Fühleranordnung in halber Speicherhöhe die Erwärmleistung erst bei schon zur Hälfte entleertem Speicher angefordert wird, verbleiben 35 Minuten. Die Mindest-Erwärmleistung ergibt sich nun mit
Auch dieser Vorgang kann in das Wärmeschaubild übernommen werden (Bild 5). Die grafische Darstellung läßt den Zusammenhang Speichervolumen/Erwärmleistung klar erkennen: Das Speichervolumen deckt den Spitzenbedarf und die Erwärmleistung richtet sich nach dem minimalen seriellen Bedarfsabstand.
| Bild 5: Notwendige Erwärmleistung für das Wannenbad. |
Bei Beurteilung der Erwärmleistung darf nicht außer acht bleiben, daß während der Erwärmdauer das Gebäude nicht beheizt wird. 35 Minuten können u.U. schon als Behaglichkeitsmangel in Erscheinung treten.
Mit der Kombination 120 l/8,9 kW könnten theoretisch beliebig viele Wannenbäder in gleicher Abfolge entnommen werden, da der Speicher rechtzeitig für den nächsten Bedarf wieder durchgeladen ist. Ist die Erwärmleistung geringer als 8,9 kW müßte der serielle Abstand entsprechend vergrößert werden oder, was noch gravierender ist, das Speichervolumen den gesamten seriellen Bedarf bevorraten. Bei zwei Bädern in Folge wäre somit ein 200-Liter-Speicher erforderlich.
Der Ablauf in Bild 5 geht von den idealen Annahmen aus, daß der Speicher zu Zapfbeginn vollständig durchgeladen ist, also seine Maximalkapazität besitzt, und daß bei Anforderung des Speicherfühlers die Erwärmleistung auch sofort zur Verfügung steht. In der Praxis muß beides nicht der Fall sein. Im ungünstigsten ersten Fall ist der Speicher bis auf die Einbauhöhe des Temperaturfühlers "entleert", besitzt also bei Positionierung des Fühlers in halber Speicherhöhe nur noch die halbe Kapazität. Allerdings setzt dann die Anforderung nach Erwärmleistung ohne Verzögerung ein. Bild 6 zeigt den Vorgang und den unausweichlichen "Zusammenbruch" des Systems.
| Bild 6: Bedarfsanforderung bei teilentleertem 120-Liter-Speicher. |
Praktische Antwort kann nur die Verdopplung der Bevorratungskapazität, gleich 5,2 · 2 = 10,4 kWh sein. Mit 200 Liter Speichervolumen und 55°C Bevorratungstemperatur ist dieser Wert zufälligerweise genau zu treffen. Als Erwärmleistung sind jetzt bei Einhaltung des seriellen Abstandes 15,6 kW vorzusehen (Bild 7). Die Kombination 200 l/15,6 kW bestätigt recht gut die in der Praxis anzutreffenden Verhältnisse für das komfortable Einfamilienhaus. Die hier durchgeführte analytische Betrachtung zeigt genauer, welche Bedingungen sich dahinter verbergen.
| Bild 7: Bedarfsanforderung bei teilentleertem 200-Liter-Speicher. |
In den Bildern 5 bis 7 wird davon ausgegangen, daß mit Anforderung der Erwärmleistung diese auch sofort wirksam ist. Praktisch ist dies jedoch ebenfalls kaum der Fall, denn die modernen temperaturgleitend betriebenen Niedertemperatur- und Brennwertkessel müssen für den Speicher erst auf 70°C oder mehr hochgefahren werden. Die so einzukalkulierenden "Totzeiten" hängen entscheidend von der Eigenträgheit des Wärmeerzeugers ab. Sie können weniger als 1 Minute bis zu mehreren Minuten betragen, insbesondere im Sommerbetrieb. Es macht allerdings wenig Sinn, diese Kesseltotzeiten auch noch durch entsprechende Leistungs- oder Volumenzuschläge zu berücksichtigen. Praktisch wirkt sich die Totzeit als Vergrößerung des seriellen Mindestabstandes aus.
Beispiel 2: Anforderung für zwei oder mehr Duschbäder in Folge
Wesentlicher Unterschied zum Wannenbad ist die nach oben hin theoretisch nicht begrenzte Warmwassermenge je Entnahme. Unsicherheit ist weniger die Zapfrate (l/min), sie kann entsprechend Bild 3 der Art des Duschkopfes zugeordnet werden, als vielmehr die Duschdauer. Damit hat im Grundsatz die Durchflußerwärmung die beste Bedarfseignung, denn sie setzt, bei Außerachtlassen der Gebäudebeheizung, keine zeitliche Begrenzung. Entscheidend ist in diesem Fall allein die Erwärmleistung: bei 10 l/min mit 40°C, z.B.
Gut denkbar ist die Durchflußerwärmung bei Versorgung einer Einzelperson. Bei mehreren Personen im Haushalt und der Möglichkeit paralleler Entnahmen zeigt sie schnell ihre Grenzen.
Sollen Duschbäder über Speicherung abgedeckt werden, ist eine Annahme der Duschdauer zu treffen. Die Erwärmleistung ist wiederum von dem kürzesten zeitlichen Abstand zweier oder mehr in Folge genommener Duschbäder abhängig, z.B.
Zapfrate 10 l/min mit 40°C
Duschdauer 6 Minuten
Warmwasserkapazität
anschließend 10 Minuten für Abtrocknen, Ankleiden, usw.
Bild 8 ist das zugehörige Wärmeschaubild. 2,1 kWh bevorratete Kapazität ergeben bei 55°C 2,1 · 860/(55 - 10) = 40 l Speichervolumen. Als marktgängiges verfügbares Volumen werden 75 l angenommen, mit 75/860 · (55 - 10) = 3,9 kWh Kapazität. Als Mindest-Erwärmleistung sind
bereitzustellen.
Das Schaubild läßt gute Reserven erkennen. Auch die Situation eines teilentladenen Speichers zu Beginn der Entnahme dürfte deswegen keine Komfortminderung bewirken. Aufgrund des möglichen kurzen seriellen Zeitabstandes zweier Duschbäder sind längere Kesseltotzeiten nicht akzeptabel. Ein 75-Liter-Speicher ist deshalb nur in Verbindung mit betriebsschnellen Wandkesseln komfortabel.
| Bild 8: Abforderung zweier oder mehr Duschbäder mit 75 Liter Speichervolumen. |
Prinzipiell ist mit der Überlagerung zweier oder mehr serieller Bedarfe, d.h. gleichzeitiger Nutzung verschiedener Zapfstellen, zu rechnen, insbesondere in komfortablen Einfamilienhäusern mit zwei oder mehr Badezimmern. Diese Situation stellt ähnliche Bedingungen wie das Zweifamilienhaus mit je einem Badezimmer. Im Zweifamilienhaus kann als Spitzenbedarf das Zusammenkommen von zwei Wannenbädern angenommen werden, im Einfamilienhaus wohl maximal das Zusammenfallen von Dusche und Wanne. Hierzu ebenfalls ein Beispiel.
Beispiel 3: Anforderung für ein Wannenbad und gleichzeitig zwei Duschbäder in Folge
Für Wanne und Dusche werden die Bedarfsprofile der Bilder 7 und 8 zugrundegelegt. Durch grafische Addition der beiden Linien ergibt sich der Summenbedarf (Summenlinie) (Bild 9). Das Bild zeigt einen innerhalb von 20 Minuten zu erbringenden Bedarf von 9,6 kWh, der vollständig zu bevorraten ist. Bevorratungsvolumen 9,6 · 860/(55 - 10) = 183 l. Mit 200 Liter Speichervolumen stehen
zur Verfügung, vorausgesetzt, der Speicher ist voll durchgeladen. Die Mindest-Erwärmleistung ergibt sich bei 40 Minuten seriellem Abstand mit
| Bild 9: Parallele Abforderung eines Wannenbades und zweier Duschbäder. |
Ist der Speicher bei Entnahmebeginn zur Hälfte "entleert", müßten rechnerisch 366 Liter bei mindestens 21 kW Erwärmleistung bevorratet werden. Solche "Zuschläge" könnten entfallen, wenn der Ladezustand des Speichers und die Betriebssituation des Wärmeerzeugers zu Beginn der Spitzenentnahme klar definiert wären. Zweifellos besteht hier noch erhebliches regeltechnisches Entwicklungspotential.
Die in den Beispielen ermittelten Erwärmleistungen berücksichtigen nicht eine evtl. gleichzeitig erforderliche Gebäude-Heizleistung. Auch in hochwärmegedämmten Gebäuden darf diese aber nicht vernachlässigt werden. Durch das Warmwasser bedingte Heizpausen sollten deshalb nicht länger als eine halbe Stunde sein. Dies kann u.U. Parallelbetrieb von Heizung und Trinkwassererwärmung mit einer entsprechenden Dimensionierung des Wärmeerzeugers bedeuten. (Fortsetzung folgt)
*) Dipl.-Ing. Gerd Böhm, Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar
* Bei bekannten Grundgleichungen, hier Q = m · c · DJ , wird die physikalische Einheit nur beim Ergebnis mit angegeben.
B i l d e r : Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar
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