Der Zirkulationsbetrieb für Warmwasser dient beispielsweise dazu, vorgeschriebene Hygieneanforderungen umzusetzen und zu erfüllen. Wenn zwischen der Erzeugung warmen Wassers und der Entnahmestelle mehr als 3 l Inhalt liegen und Trinkwasseranlagen in Mehrfamilienhäusern mehr als 400 l warmes Wasser speichern, müssen die Systeme regelmäßig auf Legionellen beprobt werden (DVGW-Arbeitsblatt W 551). Laut DIN 1988 sollten permanent hohe Temperaturen > 55 °C im System gehalten werden, um einer Legionellenvermehrung vorzubeugen.
Andererseits dient der Zirkulationsbetrieb natürlich auch dazu, den Komfort an den Zapfstellen für den Verbraucher zu erhöhen, weil in der Regel sehr schnell warmes Wasser zur Verfügung gestellt wird. Dann sind die Leitungen nicht mehr mit kaltem Wasser gefüllt, das andernfalls erst abfließen müsste.
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Temperaturen über Sollwert
Durch einen permanenten Zirkulationsbetrieb bei zugleich geringer Zapfentnahme können allerdings die Warmwassertemperaturen mitunter deutlich über den gewünschten Sollwert steigen. Bisweilen sind Temperaturen > 65 °C in solchen Systemen keine Seltenheit.
Dieses Phänomen tritt insbesondere in Systemen auf, die mit zentralen Frischwasserstationen kombiniert werden. Die Rücklauftemperatur ist dann entsprechend hoch und sie stört nicht nur die Temperaturschichtung im Pufferspeicher empfindlich. In der Folge kann sie auch die Funktionalität des Wärmeerzeugers einschränken oder seine Effizienz mindern. Wärmepumpen schalten dann sogar oft auf Störung. Nebenbei steigt das Verkalkungsrisiko bei hohen Umlauftemperaturen deutlich an und der eigentlich gewünschte Warmwasserkomfort, den der Zirkulationsbetrieb bewirken soll, wird gleich wieder egalisiert.
Das trifft dann etwa beim Duschen ein. Zunächst ist das Wasser zu heiß und der Nutzer mischt folglich kaltes Wasser zu. Wenn das heiße Wasser in der Leitung dann allmählich den Sollwert erreicht, wird es über die zuvor eingeleitete Zumischung kalten Wassers unterm Strich zu kalt – der Nutzer muss an der Zapfstelle ein zweites Mal nachregeln. Eine große Herausforderung ist also zum einen, den Zirkulationsbetrieb regelungstechnisch so zu gestalten, dass der gewünschte Sollwert auch währenddessen gehalten wird, und zum anderen, dass der ständige Wechsel zwischen Zirkulieren und Zapfen temperaturstabil abläuft.
Das Unternehmen Malotech hat seine Frischwasserstationen mit einer intelligenten Software ausgestattet. Sie erkennt den Zapfbetrieb und unterscheidet ihn vom Zirkulationsbetrieb. Bei diesem wird von der Pumpe gerade so viel heißes Wasser in die Wärmeübertragereinheit gezogen, dass die gewünschte Warmwassertemperatur nicht überschritten wird. So lassen sich unerwünschte Temperaturüberhöhungen des Netzes im Zirkulationsbetrieb effektiv vermeiden.
Problemursachen
Das Problem zu hoher Warmwassertemperaturen im Zirkulationsbetrieb ist häufig ein hausgemachtes. Die Primärtemperatur wird in Pufferspeichern u. a. zur Deckung des Spitzenbedarfs auf min. 70 °C gebracht. Die Wärmeverluste in den Leitungssystemen sind im Neubau heute längst nicht mehr so groß wie in alten Bestandsgebäuden – das ist zu begrüßen, schafft aber auch neue technische Herausforderungen. Die meisten Frischwasserstationen am Markt sind nicht in der Lage, geringen Bedarf zu erkennen und entsprechend zu modulieren.
Dazu ein Rechenbeispiel: 8 l/min Zirkulationsvolumenstrom (sekundär) benötigt lediglich
2,7 l/min mit 70 °C (primär), um das Rücklaufwasser von 55 °C auf 60 °C zu erwärmen. Zwar ist die Durchflussmenge auch abhängig von der Fläche des Wärmeübertragers, doch ändert das an dem grundsätzlichen Problem nichts.
Viele Frischwasserstationen sind auch nicht „vorausschauend“ in der Weise, dass sie Zapfsignale aufnehmen sowie die wahrscheinlich anstehende Entnahme daraufhin prognostizieren und darüber das System feinjustieren. Stattdessen regeln sie permanent nach und das dann auch nicht besonders exakt.
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Vorausschauend agierender Regler
Malotech ist es nun vermutlich als erstem Anbieter gelungen, über den Einbau eines Sensors in Verbindung mit der Reglerprogrammierung ein System auf den Markt zu bringen, das nicht nur feinfühlig ist, sondern auch vorausschauend agiert. Technisch umgesetzt hat das Unternehmen das in Form eines neu regelnden Frischwassercontrollers in Verbindung mit den zentralen Frischwasserstationen.
Sensoren erfassen den Durchfluss und die Temperaturen über schnell ansprechende Fühler, die direkt im Medium sitzen. Die von den Sensoren gelieferten Istwerte werden in der digitalen Regelelektronik mit dem per Normsignal vorgegebenen Sollwert verglichen. Die für den Lastfall benötigte Heizungswassermenge wird entsprechend dem Bedarf bereitgestellt. Das alles geschieht binnen weniger Sekunden.
Der Lösungsansatz ist, die Heizungswasserpumpe im Zirkulationsbetrieb grundsätzlich im Pulsbetrieb zu betreiben und wenn es zum Zapfbetrieb kommt, innerhalb weniger Sekunden den tatsächlichen Nachsteuerungsbedarf zu erkennen. Nach Zapfende schaltet das System in den Zirkulationsbetrieb und damit in den Pulsbetrieb zurück mit dem Ergebnis, dass nach Zapfende die Temperatur im System nicht ansteigt.
Erste Praxisbeispiele
Das Unternehmen hat sein neues System bereits in ersten Objekten erfolgreich verbaut. In einem Mehrfamilienhausneubau mit 12 Wohneinheiten wurde nach kurzer Zeit darüber geklagt, dass die Wärmepumpe wenig lief, der außerdem vorhandene Gas-Brennwertkessel aber schon. Auf der Trinkwasserseite gab es bereits eine zentrale Frischwasserstation des Herstellers, die nicht zu bemängeln war, sie war allerdings noch nicht auf dem neuesten Softwarestand.
Die Wärmepumpe sollte im Heizungskreislauf die Grundlast liefern, der Gas-Brennwertkessel lediglich die Spitzenlast. In der Praxis war diese Aufgabenteilung aber in Richtung Kessel verschoben. Die Ursache hierfür war erkennbar, nachdem die Situation vor Ort über Messungen erfasst wurde: Aufgrund des kontinuierlichen Zirkulationsbetriebs erhielt der Pufferspeicher im unteren Bereich über den Rücklauf der Frischwasserstation nahezu permanent Wassertemperaturen von knapp unter 60 °C.
Der Lösungsansatz bestand aus einer kombinierten Umbaumaßnahme. Der Pufferspeicher wurde durch einen Schichtspeicher mit Trennplatte ersetzt. Zusätzlich wurde ein Umschaltventil im Rücklauf eingebaut. Dieses leitet nun das Rücklaufwasser temperaturabhängig in zwei Zonen ein – in den oberen oder den unteren Speicherbereich. Im unteren Bereich sind die Temperaturen jetzt niedrig genug, sodass die Wärmepumpe arbeiten kann. Im Rahmen der Umbaumaßnahme wurde auch die Reglersoftware erneuert. Sie trägt maßgeblich zum Erfolg bei, da durch sie die Pufferumwälzung minimiert wird.
Die Frischwasserstation ist an den Pufferspeicher angeschlossen und entnimmt ihm im oberen Bereich Wasser mit einer Temperatur von ca. 70 °C. Hiermit wird über einen Plattenwärmeübertrager Trinkwasser kalt im Bedarfsfall auf 60 °C erwärmt sowie das Rücklaufwasser aus der Zirkulation von 55 °C erneut auf 60 °C gehoben. Zu bemängeln war auch hier die Einschichtung des heißen Rücklaufs generell unten. Unter diesen Umständen konnte die Wärmepumpe ihr Potenzial nicht ausspielen, sie erhielt nahezu keine Laufzeiten.
Seit der Umbaumaßnahme läuft die Wärmeversorgung des Hauses nun problemlos. Die Herausforderung ist dabei, ein möglichst exaktes, vorausschauendes Regelverhalten zu erzeugen. Das bedingt eine schnelle Ermittlung der Werte und ihrer Verarbeitung.
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Bild: Malotech / Guido ten Brink
