Zentrale und dezentrale Trinkwassererwärmung im Vergleich

Die Anforderungen, die an Trinkwasser warm gestellt werden, ergeben sich auf der einen Seite aus Regelwerken wie der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) sowie Arbeitsblättern des DVGW (etwa W 551 „Trinkwasser­erwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen – Technische Maß­nahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums – Planung, Errichtung, Be­trieb und Sanierung von Trinkwasser-­Installa­tionen“) oder Richtlinien des VDI (wie der VDI 2072 „Wärmeübergabestation mit Wasser-Wasser-Wär­me­übertrager für Durchfluss-Trinkwassererwärmung / ​Raumwärmeversorgung“). Das Ziel: PWH muss unabhängig vom Erwärmungssystem in jedem Fall an der Entnahmestelle hygienisch einwandfrei sein, also beispielsweise nicht durch ­Legionellen belastet. Ansonsten ist die Gesundheit der Nutzer gefährdet.

Außerdem bestehen normative Anforderungen an den Versorgungskomfort. In einer Mietwohnung beispielsweise sind nach DIN 1988-200 an der Zapfstelle nach spätestens 30 Sekunden 55 °C gefordert. Dadurch verbietet sich übrigens auch in kleinen Mietshäusern, wie Zweifamilienhäusern mit einer fremdvermieteten Wohnung, die Absenkung der Systemtemperaturen auf einen Wert unter die (als hygienekritisch anzusehenden) 55 °C, um vielleicht Energie zu sparen!

Auf der anderen Seite stehen die technischen Rahmenbedingungen einer Trinkwasser-Installation. Im Falle von PWH geht es dabei unter anderem um folgende Fragen:

Die sich daraus ergebende, bei jedem Projekt individuell zu prüfende Bandbreite an Lösungsmöglichkeiten hat verschiedene Gründe. So war es in der Vergangenheit die Regel, zentrale PWH-Systeme mit vergleichsweise großen Speichervolumina aufzubauen, um vor allem einen hohen Versorgungskomfort sicherzustellen. Der Nachteil dabei ist, dass die Wassermengen im Speicher – in Mehrfamilienhäusern häufig mehrere Tausend Liter – gemäß VDI 6023 Blatt 1 wie in allen Trinkwasser-Installationen nach spätestens 72 Stunden einmal komplett ausgetauscht sein müssen.

Zudem muss die Temperatur im Trinkwasserspeicher mindestens 60 °C betragen, denn das DVGW-Arbeitsblatt W 551 fordert aus hygienischen Gründen am Austritt aus dem Trinkwasser­erwärmer eine Temperatur von ≥ 60 °C und am Eintritt der Zirkulationsleitung in den Trinkwasser­erwärmer eine Temperatur von ≥ 55 °C.

In diesem Temperaturbereich ≥ 60/55 °C können sich in der Zirkulation Legionellen nicht nennenswert vermehren. Der damit einhergehende Gesundheitsschutz ist allerdings auch mit hohen Energieverlusten verbunden: zum einen durch die Abstrahlverluste des Speichers an sich, zum anderen durch die Abstrahlverluste der Zirkula­tionsleitungen.

Wie viel das ausmachen kann, zeigt eine aktuelle Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und des Instituts für ­Nachhaltige Technische Systeme (Inatech) der Universität Freiburg: In einem Mehrfamilienhausneubau gemäß Gebäudeenergiegesetz (GEG) mit 30 Wohneinheiten bei zentraler PWH-Versorgung mit Zirkulation betrugen die energetischen Verluste durch Abstrahlung rund 63 %!

Entsprechend intensiv wird jetzt nach Alternativen für eine energieeffiziente Trinkwasser­erwärmung gesucht. Auch, weil die immer häufiger als Wärmeerzeuger installierten Wärmepumpen umso effizienter arbeiten, je geringer die (unnötigen) Wärmeverluste sind. Denn die Leistungszahl einer Wärmepumpe hängt direkt vom geforderten Temperaturhub ab.

Es ist also mit Wärmepumpen ohnehin schwieriger, die normativ bedingt hohen Systemtemperaturen von Trinkwasser warm mit förderfähigen Jahresarbeitszahlen (JAZ_WP; mindestens 3,0) bereitzustellen. Müssen in der Auslegung dann noch systemische Verluste hinzugerechnet werden, sinkt die JAZ_SYS zwangsläufig umso stärker ab.

Um die Wärmeverluste durch Speicherung und Verteilung zu verringern, liegt es also nahe, PWH dezentral zu erzeugen. Das kann wahlweise über

geschehen.

Bild: Viega

Dezentrale Trinkwassererwärmung elektronisch

Der Vorteil elektronischer Durchlauferhitzer sowie druckloser Kleinspeicher liegt in der einfachen Installation. Außerdem kann auf etliche Meter Rohr für PWH-Steig- und -Verteilleitungen verzichtet werden, weil dann nur noch Rohrleitungen für Trinkwasser kalt (PWC) notwendig sind. Dem gegenüber stehen aber die deutlich höheren Anschlusskosten des Energieversorgers, da für eine komfortable wohnungsweise Versorgung durch elektronische Durchlauferhitzer Leistungen von 21 bis 27 kW notwendig sind.

Zum Vergleich: Der Anschlusswert eines Einfamilienhauses liegt in der Regel zwischen 14,5 und 25 kW. Trotz der hohen Leistung können die elektronischen Durchlauferhitzer aber nicht den von zentralen Warmwasserlösungen gewohnten Versorgungskomfort bieten, weil beispielsweise schon bei der Nutzung der Dusche und gleichzeitig einer weiteren Zapfstelle mit 45 °C rechnerisch nicht genug Volumenstrom zur Verfügung steht.

Hinzu kommt der vergleichsweise schlechte energetische Wirkungsgrad der elektronischen Lösungen. Da sie direkt mit Strom arbeiten, liegt der Umwandlungsfaktor immer bei eins zu eins. Eine Wärmepumpe erzeugt hingegen bereits bei einer Jahresarbeitszahl von 3,0 aus einem Teil Strom und zwei Teilen Umweltenergie drei Teile Nutzenergie. Die Wärmepumpe ist also wesentlich nachhaltiger als elektronische Durchlauf­erhitzer.

Dezentrale Trinkwassererwärmung hydraulisch

Vor allem im Geschosswohnungsbau werden für die dezentrale Trinkwassererwärmung häufig auch sogenannte Wohnungs- oder Trinkwasserstationen eingesetzt. Sie sind in der Regel mit ­einem Wärmeübertrager ausgestattet, der von ­einer Heizzentrale aus mit etwa 60- bis 70-gradigem Wasser durchströmt wird und bei Bedarf im Durchflussprinzip wohnungsweise PWH erzeugt.

Wohnungsstationen können als 2-Leiter- oder 4-Leiter-System angebunden werden. „2-­Leiter-​Sys­tem“ bedeutet, dass die Versorgung mit Raumwärme und die Energiebereitstellung für die Trinkwassererwärmung über dieselbe Vor- und Rücklaufleitung erfolgen. Im Gegensatz dazu stehen beim 4-Leiter-System für Raumwärme und Warmwasser getrennte Vor-/Rücklaufleitungen zur Verfügung. Im Sommer kann der Heizkreis also energiesparend abgeschaltet werden, während beim 2-Leiter-System ganzjährig die komplette Energiemenge für Raumwärme und Warmwasser zwar kontinuierlich anliegt, aber nur zu einem Bruchteil genutzt wird.

In beiden Fällen sind die Investitionskosten relativ hoch, da neben den Vor- und Rücklaufleitungen zur Heizzentrale viele kleine Wohnungsstationen installiert werden müssen. Entsprechend stellt sich auch der Wartungsaufwand dar.

Bild: Viega

Dezentral: nicht zwingend hygienisch

Ein wesentliches Argument, das unabhängig von Komfort- oder Kostenfragen für die dezentrale Warmwasserbereitstellung angeführt wird, leitet sich aus der Beprobungspflicht von Trinkwasser-Installationen (Speicherinhalt > 400 l und/oder Rohrinhalt > 3 l) auf Legionellen gemäß TrinkwV ab. Darin heißt es in § 31 „Untersuchungspflichten in Bezug auf Legionella spec.“:

Ausnahmen durch das Gesundheitsamt, also auch längere Untersuchungsfristen, sind zwar möglich, aber nicht üblich.

Verkürzt betrachtet könnte das bedeuten: ­Dezentrale Warmwassersysteme mit vergleichsweise kurzen Rohrleitungsstrecken zwischen Wärmeerzeuger (also dem elektronischen Durchlauferhitzer oder der Wohnungsstation) müssen nie auf Legionellen beprobt werden, zentrale Großanlagen aber im Prinzip immer.

Diese Sichtweise stimmt jedoch nur bedingt, denn gleichzeitig ist genauso aus dem Bür­ger­lichen Gesetzbuch (BGB) der § 618 „Pflicht zu Schutzmaßnahmen“ anzuwenden: „(1) Der Dienst­berechtigte hat Räume, Vorrichtungen oder Gerätschaften, die er zur Verrichtung der Dienste zu beschaffen hat, so einzurichten und zu unterhalten und Dienstleistungen, die unter seiner Anordnung oder seiner Leitung vorzunehmen sind, so zu regeln, dass der Verpflichtete gegen Gefahr für Leben und Gesundheit soweit geschützt ist, als die Natur der Dienstleistung es gestattet.“

Das hört sich sperrig an, bedeutet aber nichts anderes, als dass der Vermieter dem Mieter hygienisch unbedenkliches Wasser zur Verfügung stellen muss. Und ob es das tatsächlich ist, lässt sich wiederum ohne Beprobung nicht feststellen. Denn Hygienerisiken bestehen auf jeden Fall auch bei der dezentralen Trinkwassererwärmung, da sich stagnierendes Kaltwasser durch Fremd­erwärmung in Wohnungsstationen oder elektronischen Durchlauferhitzern bei fehlender Abnahme schnell hygienekritisch auf > 25 °C erwärmen kann. Das fördert das Legionellenwachstum und ist umso kritischer zu sehen, als die Systemtemperaturen bei den dezentralen Warmwasserlösungen selten höher sind als 45 °C.

Die Legionellen werden also nicht an ihrer Vermehrung gehindert, wie dies bei zentralen Versorgungssystemen mit einer Temperaturspreizung von 60/55 °C gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 551 der Fall ist.

Gestützt wird dies durch die aktuelle Veröffent­lichung der Ergebnisse der von 2016 bis 2020 durchgeführten und vom Bundesministerium für Gesundheit geförderten LeTriWa-Studie (­LeTriWa: Legionellen in der Trinkwasser-Installation), bei der das Robert-Koch-Institut (RKI), das Umweltbundesamt (UBA) und das Konsiliarlabor für Legio­nellen kooperierten .¹ Die Studie hat gezeigt, dass auch in nicht untersuchungspflichtigen Trinkwasser-Installationen Legionellen vorkommen können und diese eine ursächliche ­Rolle beim Erwerb der Legionärskrankheit spielen. ­Gemeint sind in diesem Zusammenhang Kleinanlagen und dezentrale Trinkwassererwärmer. Dieses wurde gleichfalls schon 2016 in einer realen Anlage in Kiel mit Durchlauferhitzern erstmals angedeutet und gemessen. ²

Zentrale Trinkwassererwärmung im PWH-Speicher

Bei der Entscheidung für eine zentrale Warmwasserbereitstellung über Trinkwasserspeicher sind also – neben den eingangs beschriebenen energetischen Verlusten – zumindest bei Großanlagen auch die entsprechend notwendigen Beprobungen mit in die Gesamtkalkulation aufzunehmen. Dem gegenüber stehen allerdings allgemein niedrigere Investitionskosten. Zudem können diese Hochtemperaturspeicher unter gewissen Voraussetzungen mit Hybridanlagen als Wärmequelle betrieben werden, beispielsweise Wärmepumpen in Kombination mit einem Gas-Brennwertgerät für die Spitzenlasten. Das kann im Rahmen von Heizungserneuerungen notwendig sein, wenn für die Wärmebereitstellung der Anteil erneuerbarer Energien gemäß GEG eingefordert wird.

Monovalente regenerative Systeme stoßen hingegen bei der zentralen Warmwasserbereitstellung über Trinkwasserspeicher aufgrund der notwendigen hohen Systemtemperaturen schnell an Effizienzgrenzen. Nachteilig sind aber in jedem Fall die bereits erwähnten hygienekritischen Gegebenheiten, dass der komplette Wasserinhalt innerhalb von 72 Stunden ausgewechselt sein muss, sowie die niedrigen Fließgeschwindigkeiten in einem Trinkwasserspeicher.

Etwas anders stellt sich die Situation hingegen in kleineren Gebäuden wie Einfamilienhäusern dar. Hier ist die zentrale Warmwasserversorgung aufgrund der kurzen Leitungswege – und des damit verbundenen regelmäßigen Wasseraustauschs im bestimmungsgemäßen Betrieb – nach wie vor die wohl wirtschaftlichste und praxis­gerechteste Lösung.

Bild: Viega / Bernd Gabriel

Zentrale Trinkwassererwärmung über Pufferspeicher

Um die teilweise diametral gegenläufigen Anforderungen an eine energieeffiziente, hygienisch einwandfreie und zudem komfortable PWH-­Versorgung in größeren Wohnobjekten praxisgerecht zu erfüllen, ist also ein anderer Planungsansatz notwendig.

An die Stelle einer üppigen Warmwasserbevorratung muss künftig – gerade vor dem Hintergrund des geforderten Einsatzes regenerativer Wärmeerzeuger mit niedrigeren Systemtemperaturen – deutlich stärker der Umgang mit Energie als solcher im Vordergrund stehen, aus dem sich dann die Nutzung zur Trinkwassererwärmung ­ableitet.

Das Konzept setzt sich im Wesentlichen aus einem normgerecht dimensionierten Pufferspeicher und einer Trinkwassererwärmung im Durchflussprinzip zusammen. In dem Pufferspeicher werden die Energieeinträge aus Wärmepumpe (mit langen Laufzeiten) und beispielsweise solarthermischer Anlage sowie Photovoltaik (über entsprechende Heizelemente bei nicht direkt zu nutzenden Ertragsüberschüssen) zusammengeführt, um unabhängig von den Betriebsbedingungen der einzelnen Wärmeerzeuger so viel Umweltenergie wie möglich nutzbar zu machen. Dadurch reduziert sich automatisch der Energiebedarf, der – aus trinkwasserhygienischen Gründen – bei Spitzenlasten noch zur Aufheizung des Speichervolumens auf 60 °C entsteht.

Unterstützt wird dieses Energiemanagement dann ganz wesentlich durch die PWH-Bereitstellung im Durchflussprinzip. Dem Pufferspeicher wird also nur so viel Energie in Form von Heizungswasser entnommen, wie zur Deckung des aktuellen Warmwasserbedarfs durch Zapfung (und Verluste in der Zirkulation) tatsächlich notwendig ist.

Entscheidend für die Effizienz des Gesamtsystems ist außerdem die Frage, ob Raumwärme und Trinkwassererwärmung gemeinsam über einen Speicher erfolgen oder ob für die beiden Anforderungen jeweils ein separater Speicher installiert wird. Steht nur ein Speicher zur Verfügung, muss bei Be- oder Entladung darauf geachtet werden, dass die Temperaturschichtung im Speicher nicht zerstört wird. Das wirkt sich sofort negativ auf die Ertragsleistung des Wärmeübertragers für PWH aus, der aufgrund der höheren Speichertemperaturen in der Regel die Energie aus dem oberen Speicherbereich entnimmt.

Kommt es zu einer Durchmischung, wird dieses Temperaturniveau aufgrund des hochgespülten kälteren Speicherwassers aus unteren Speicherbereichen messbar verringert. Für Abhilfe sorgen hier beispielsweise Pufferspeicher mit einer Schichttrennplatte. Sind dauerhaft größere Warmwassermengen bereitzustellen, etwa in Mehrfamilienhäusern, empfiehlt sich eher der Einsatz von zwei separaten Pufferspeichern für Raumwärme und zur Trinkwassererwärmung.

Fazit

Aufgrund des wachsenden Anteils des Energie­bedarfs für Trinkwasser warm am Gesamtenergiebedarf eines Gebäudes werden individuell auf das jeweilige Objekt ausgearbeitete Konzepte für die Trinkwassererwärmung immer wichtiger. Denn nur so können einerseits möglichst weitgehend regenerative Energien genutzt werden, ohne andererseits zentrale Schutzziele wie den Erhalt der Trinkwasserhygiene zu gefährden.

Energieeffizienz, Versorgungskomfort, Versorgungssicherheit und Investitionskosten stellen aufgrund ihrer direkten Wechselbeziehungen hierbei gleichwertige Anforderungen dar, die vermeintlich schnelle oder einfache Lösungen zwangsläufig unmöglich machen. Dies gilt insbesondere für die dezentrale elektronische Trinkwassererwärmung, die auch generell vor dem Hintergrund der Wärmewende kritisch zu sehen ist.

Schon heute führen punktu­elle Stromspitzenlasten bei gleichzeitig stark schwankender Bereitstellung durch Photovoltaik und Windkraft zu Netzbelastungen, die künftig durch aktives Eingreifen auf steuerbare Verbrauchseinrichtungen und Netzanschlüsse gemäß § 14 a des Ener­gie­wirt­schaftsgesetzes „geglättet“ werden sollen. Diese ­Entwicklung durch den Ausbau einer elektronischen Trink­was­ser­erwärmung weiter voranzutreiben, würde die Nachhaltigkeitsbemühungen im Sektor Wohnen konterkarieren.

Dies gilt umso mehr, wenn gleichzeitig mit Kombinationen aus Wärmepumpen und Energiespeichern mit Trinkwassererwärmung im Durchflussprinzip in der Praxis bewährte Alternativen zur Verfügung stehen, die problemlos auch auf bestehende PWH-Installationen angewandt werden können.

Bild: Viega / Bernd Gabriel

Bild: Viega

Autor

Dr. Christian Schauer

ist Leiter des Kompetenz­bereichs Trinkwasser, ­Corporate Technology bei dem Systemhersteller von Installationstechnik Viega.

www.viega.de/Trinkwasser

Bild: Viega / Tim Friesenhagen