Kosten optimieren mit dezentraler Wassererwärmung

Zum einen haben sich in den vergangenen Jahren Luft-Wärmepumpen aus ihrem Nischendasein heraus einen beachtlichen Markt geschaffen und mittlerweile nach Angaben des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) bei den Absatzzahlen sogar Erdwärmepumpen überholt. Der Grund hierfür lag in mehreren technologischen Entwicklungen, die es ermöglicht haben, dass auch Luftwärmepumpen eine überzeugende Effizienz im Betrieb haben können – bei geringeren Investitionskosten als Erdwärmepumpen, weil eine Erdbohrung oder ein Erdkollektor nicht benötigt wird.

Zum anderen haben Durchlauferhitzer in den letzten Jahren eine echte Renaissance erlebt – weil auch hier neue Lösungen verfügbar wurden, die vollelektronisch ausgestattet eine gleichbleibende Wassertemperatur unter allen Bedingungen gewährleisten.

In der Verbindung können sich beide Produkte ideal ergänzen. Viele Fachplaner, Architekten und Fachhandwerker haben das erkannt und favorisieren diese Anlagenkombination in zahlreichen Projekten. Die Lösung sieht überzeugend aus: Gerade die oft uneffiziente Warmwasserbereitung mit hohen Temperaturen ist keine Primäraufgabe moderner Wärmepumpen. Vielmehr erbringen sie typischerweise bei Vorlauftemperaturen von 35°C ihre maximale Effizienz. Warmwassertemperaturen von über 60°C können zwar von den meisten Wärmepumpen der großen Hersteller erzeugt werden, doch bleibt die Effizienz dabei oft auf der Strecke.

Elektronische Durchlauferhitzer bilden genau hier das passende Pendant dagegen. Ihre Absatzzahlen steigen kontinuierlich, denn die Umweltbilanz dieser elektrischen Systemlösungen hat sich in der letzten Zeit deutlich verbessert. Das ist einerseits zurückzuführen auf die stetig steigenden regenerativen Anteile, etwa von Windkraft, Solarenergie oder von Biomasse in der Stromerzeugung. Andererseits hat sich auch die Geräte- und Anlagentechnik unter Einspargesichtspunkten und Ressourcenschonung weiterentwickelt. Dies wird besonders deutlich, wenn die früher gebräuchlichen hydraulischen und die heute üblichen elektronischen Durchlauferhitzer verglichen werden.

„Hydraulische Geräte können Temperatur- und Druckschwankungen nur teilweise ausgleichen“ – so war es in den Herstellerunterlagen oft zu lesen. Was das bedeutet? Gellende Schreie aus der Dusche, wenn sich am Waschbecken ein Familienmitglied die Hände waschen will – egal ob kalt oder warm. Seit 1986 gewährleisten jedoch elektronische Durchlauferhitzer unabhängig vom Wasserdruck und der Wassereinlauftemperatur, dass das Wasser hinreichend genau die Temperatur hat, die angefordert wird.

Elektronische Durchlauferhitzer sparen Energie und Wasser

Gleichzeitig zum erhöhten Komfort haben elektronische Durchlauferhitzer gegenüber den früher gebräuchlichen hydraulischen Geräten einen weiteren Vorteil: eine Energie- und Wasserersparnis von über 20%. Wodurch entsteht diese enorme Kostenreduzierung? Hydraulische Geräte erhitzen das Wasser aufgrund der groben Leistungssteuerung meist auf eine deutlich höhere Temperatur, um es dann durch die Beimischung von kaltem Wasser auf die Wunschtemperatur zu bringen. Elektronische Geräte erwärmen das Wasser hingegen in der benötigten Menge mit der dazu minimal erforderlichen elektrischen Energie auf die gradgenaue Wunschtemperatur. Außerdem steht das warme Wasser in der richtigen Temperatur sofort nach dem Öffnen des Wasserhahns zur Verfügung. Das oft minutenlange Laufenlassen des Wassers bei hydraulischen Durchlauferhitzern, bis endlich die Wunschtemperatur erreicht ist, entfällt damit. Dadurch wird nicht nur Energie, sondern auch Wasser in erheblichem Umfang gespart. Erst durch diese Technik können elektronische Durchlauferhitzer ihre Vorteile in der Warmwasserversorgung gerade von großen Gebäuden voll ausspielen.

Elektronische Durchlauferhitzer haben aufgrund der notwendigen Technik einen höheren Preis als einfache hydraulische Geräte. Doch bisherige Praxiserfahrungen belegen, dass sich der Mehrpreis durch die Strom- und Wasserersparnis bereits nach drei Jahren amortisiert hat.

Innovative Konzepte kombinieren die Vorzüge der Wärmepumpe mit denen der elektronischen Durchlauferhitzer zu einer effizienten Gesamtanlage. Wärmepumpen erreichen ihre beste Effizienz in der Regel dann, wenn sie auf eine Vorlauftemperatur von maximal 45°C hin ausgelegt werden. Warmwasser, das mit 60°C erwärmt wird, müsste also kostenintensiv auf die benötigte Temperatur gebracht werden. Zudem sind es auch Investitionskosten für die benötigte höhere Leistung der Wärmepumpe und den entsprechenden Warmwasserspeicher. Oft bietet sich da in größeren Objekten eine Kombination von Wärmepumpen und elektronischen Durchlauferhitzern an. „Hier sollte individuell geplant und berechnet werden, welche Lösung den besten Komfort zu welchen Kosten gewährleistet“, so Andreas Christmann, Energieexperte bei Vaillant. „Einer pauschalen Empfehlung sollte man keinesfalls folgen. Jedes System hat seine Vor- und Nachteile. Aber gerade in größeren Gebäuden überwiegen oftmals die Vorteile einer Kombination von Wärmepumpe und elektronischen Durchlauferhitzern deutlich.“

Auch eine aktuelle Studie der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft (FfE GmbH) in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (IfE) der TU München zum Projekt „Reduzierung von Energieverbrauch und CO₂-Emissionen durch dezentrale elektrische Warmwas­serversorgung“ bescheinigt der dezentralen Warmwasserbereitung mit elektronischen Durchlauferhitzern Potenzial. Durch die Integration einer dezentralen Warmwasserbereitung beim Neubau könne der nach EnEV 2009 geforderte Primärenergieverbrauch im Hinblick auf den zukünftigen Strom-Mix mit einem höheren Anteil an Strom aus erneuerbaren Quellen deutlich gesenkt werden. Hier bestünde insbesondere die Möglichkeit, die elektronischen Durchlauferhitzer in Kombination mit Wärmepumpen einzusetzen. Im Folgenden sind einige Punkte dargestellt, die für die Planung zu berücksichtigen sind.

Wie groß ist das Verteilsystem für Warmwasser im Gebäude?

Bereits in einfachen Zweifamilienhäusern können die Verteilwege für das Warmwasser recht umfangreich sein – egal ob mit oder ohne Zirkulation. Sowohl die Investitionskosten für das Verteilsystem als auch die Betriebskosten für die Zirkulation und ihre Wärmeverluste bilden eine nicht vernachlässigbare Größe. Ohne Zirkulation fallen deutliche Verluste sowohl bei der verbrauchten Wassermenge als auch der Wärme an. Bei Durchlauferhitzern müssen nur Kaltwasserleitungen verlegt werden und die Verluste im Betrieb sind gering.

Wie wird im Gebäude der Legionellenschutz umgesetzt?

Hinlänglich bekannt sind die gesetzlichen Vorschriften zum Legionellenschutz in der Warmwasserversorgung. Die Kosten hierfür sind von der Größe des Gebäudes, des Warmwasserspeichers und den Nutzergewohnheiten abhängig. Gerade in größeren oder öffentlichen Gebäuden können die Verbrauchsgewohnheiten deutlich von den Bedingungen der Normung abweichen. Bei der Auslegung einer Trinkwasseranlage wird jedoch von einem bestimmungsgemäßen Gebrauch ausgegangen. Das heißt, die Entnahmestellen werden regelmäßig genutzt. Passiert das aber nicht, kann es zu einer gesundheitsgefährdenden, bei immuninsuffizienten Menschen sogar tödlichen Verkeimung kommen. Diese Gefahr steigt, je länger die Rohrleitungsnetze in einem Gebäude sind.

Wie hoch sind die Kosten für die Wärmepumpe?

Besteht eventuell die Möglichkeit, die Wärmepumpe eine Baugröße kleiner zu wählen, wenn die Warmwasserversorgung ausgeklammert wird? Kann eventuell sogar die Bohrung bei Erdwärmepumpen kleiner ausfallen? Gerade die Warmwasserbereitung ­bildet durch die bereitzustellenden Temperaturen einen wesentlichen Faktor bei der Dimensionierung der Wärmepumpe. Kann die Wärmepumpe bei ­einer reinen Wohnwärmeversorgung kleiner ausfallen und ist dadurch deutlich günstiger, sollte die Warmwasserversorgung über elektronische Durchlauferhitzer geprüft werden.

Welche Gewohnheiten werden die Nutzer haben?

Ohne Zweifel ist die Warmwasserbereitung nach der Raumheizung der zweitgrößte Energieverbraucher in deutschen Haushalten. Je nach dem eigenen Verhalten können diese Kosten bei 8 bis 20% des Gesamt-Energieverbrauchs liegen. Der Luxus, an allen Zapfstellen jederzeit warmes Wasser in nahezu beliebiger Menge zu erhalten, hat nun einmal seinen Preis. Doch der Warmwasserverbrauch und seine Kosten hängen extrem von den Gewohnheiten des Einzelnen ab. Und so führen viele Untersuchungsergebnisse schlichtweg in die Irre, wenn sich solche Verbraucher hieran orientieren wollen, die zwar einen oft zum Vergleich gewählten typischen 4-Personen-Haushalt haben, aber dennoch ein gänzlich anderes Verhalten im Umgang mit Warmwasser an den Tag legen. Werden nur kleine Mengen Warmwasser, beispielsweise zum Händewaschen benötigt, die aber häufig? Stehen jeden Tag Vollbäder für die Mitglieder der Familie an? Die Möglichkeiten der individuellen Nutzung von Warmwasser sind zahlreich und sollten vor der Planung genau bewertet werden.

Wie viele Zapfstellen sind im Gebäude vorgesehen?

Natürlich steigt beim Einsatz von elektronischen Durchlauferhitzern der Investitionsaufwand mit jeder Zapfstelle von Warmwasser. Auch die Stromversorgung der Durchlauferhitzer wird bei einer überdurchschnittlichen Anzahl von Zapfstellen für Warmwasser in einem Gebäude zum mitentscheidenden Faktor. Elektronische Durchlauferhitzer können aber ohne Komfortverlust mehrere Zapfstellen für Warmwasser – z.B. im Bad – bedienen.

Wie hat sich der Verbrauch in den letzten Jahren entwickelt?

Rahmendaten und Ansprüche an die Warmwasserbereitung haben sich drastisch geändert. Die notwendige Heizenergie neuer Gebäude ist aufgrund einer immer besseren Dämmung sowie weiterer Energiesparmaßnahmen konsequent verringert worden. Gestiegen ist dagegen der Warmwasserverbrauch. Rein statistisch gesehen verbrauchte jeder Bundesbürger laut Umweltbundesamt Anfang der 1980er-Jahre täglich noch mehr als 145l Wasser, davon jedoch knapp ein Viertel – also 36 l – als Warmwasser. Unter anderem durch Wasser sparende Installationen beträgt der Pro-Kopf-Verbrauch heute 120 l, davon jedoch rund die Hälfte – also 60 l – als Warmwasser.

Wasser ist von der ehemaligen Aufgabenstruktur der ausschließlichen Reinigung zu einem Wohlfühlfaktor geworden, der Wellness nicht nur symbolisiert, sondern auch umsetzt und verwirklicht. Der ohnehin gestiegene Warmwasserverbrauch sollte zum einen mit möglichst geringem Energieeinsatz gedeckt werden, zum anderen jedoch beim Öffnen der jeweiligen Zapfstelle sofort zur Verfügung stehen. Bei zentralen Heizungsanlagen in größeren Wohneinheiten kann diese schnelle Verfügbarkeit von Warmwasser nur über aufwendige und energetisch ungünstige Zirkulationsleitungen garantiert werden.

Die Anlagenkombination von Wärmepumpe und elek­tronischem Durchlauferhitzer setzt auf die ­Stärken der beiden Produkte. Während die Wärmepumpe von der Notwendigkeit befreit wird, Warmwasser mit hohen Temperaturen bereitzustellen, sorgen Durchlauferhitzer genau nach Bedarf für das benötigte Warmwasser. Das Ergebnis kann eine insgesamt geringere Investition und eine höhere Effizienz der ­Gesamtanlage sein. Vor der Umsetzung dieses Konzeptes sollten einige Bedingungen hinsichtlich der Größe des Warmwasserverteil­netzes, dem Nutzerverhalten, der Anzahl an Warmwasser-Zapfstellen im Gebäude etc. geprüft und bewertet werden. Insbesondere größere Gebäude mit wechselnder Auslastung eignen sich ideal für die Systemkombination.

Elternhaus der Kinderhilfe

Das Elternhaus der Kinderhilfe Dresden in unmittelbarer Nachbarschaft zur Uni-Klinik besteht aus 13 kleinen Wohnungen. Während der Behandlungsdauer ihrer Kinder dürfen die Eltern hier auf Einladung des gemeinnützigen Vereins kostenlos wohnen. Neben Schlafgelegenheit, Sitzgruppe und Badezimmer verfügt jedes 30m2 große Appartement über eine kleine Küche. Gemeinschaftsräume kommen hinzu. Die Installation einer Wärmepumpe lag auf der Hand, denn die in der Region typische Mischung aus Schwemmboden, Fels und Festgestein lässt hervorragende Entzugsleistungen der Erdsonden erwarten. In Verbindung mit dem gut gedämmten Baukörper reichte eine Erdwärmepumpe mit 27,1kW thermischer Leistung aus, um für die rund 700m2 Wohn- und Nutzfläche über fünf 100m tief eingebrachte Erdsonden und einen zwischengeschalteten 750-Liter-Pufferspeicher ganzjährig genügend Wärme für die Flächenheizung zur Verfügung zu stellen.

Die Warmwasserbereitung wurde abgekoppelt: Um in einem vergleichsweise großen Gebäude wie dem Elternhaus den Warmwasserbedarf zu decken, wären unter Berücksichtigung des Gleichzeitigkeitsfaktors erhebliche Warmwassermengen vorzuhalten, die in der Praxis aber nur an wenigen Tagen im Jahr gebraucht würden. Die übrige Zeit ist eine überdimensionierte Wärmepumpe damit beschäftigt, Warmwasser auf Vorrat zu produzieren oder ein Trinkwarmwasserspeicher wird per Elektropatrone permanent nachgeheizt. Wesentlich kostengünstiger stellte sich die dezentrale Warmwasserbereitung über vollelektronische Durchlauferhitzer dar: Es gibt keine Bereitstellungsverluste und der Hilfsenergieeinsatz verringert sich deutlich, weil auf Zirkulationspumpen verzichtet werden konnte.

Der Installationsaufwand für die Trinkwarmwasseranlage halbierte sich, da weder Warmwasserzu- noch Zirkula­tionsleitungen installiert werden mussten. Das schlug sich selbst unter Berücksichtigung des Mehraufwandes für die insgesamt 15 im Haus verteilten VED E exclusiv-Durchlauferhitzer von Vaillant in spürbar geringeren ­Investitionskosten nieder.

SHK-Meister Gunter Berthold aus Freital-Somsdorf: „Welche Lösung unter dem Strich die kostengünstigere ist, hängt dabei immer vom Einzelfall ab. Hier war es beispielsweise die Kombination aus effizienter Erdwärmepumpe und stark schwankender Auslastung, die für diese Variante der Warmwasserbereitung sprach. Es lohnt sich also auf jeden Fall, vor Planungsbeginn das individuelle Anforderungsprofil eines Gebäudes auf die unterschiedlichen Lösungsansätze abzubilden und sie differenziert durchzurechnen.“

Bezogen auf das Dresdner Elternhaus hat die dezentrale Warmwasserbereitung aber noch einen nicht zu unterschätzenden Nebeneffekt: den problemlosen Erhalt der Trinkwassergüte. Denn während bei zentraler Warmwasserbereitung lange Leitungswege mit entsprechenden Stagnations-, ergo auch Verkeimungsrisiken in Kauf genommen werden müssen, ist hier unabhängig von den alternativ notwendigen Zirkulationen mit durchgeschliffenen Leitungen die Länge der Stichleitungen auf ein absolutes Mindestmaß reduziert – und wo Wasser nicht stagniert, kann es auch nicht verkeimen.

Mehrfamilienhaus in Pforzheim

Die Pforzheimer Bau & Grund GmbH errichtete in Pforzheim einen offen gestalteten, dreigeschossigen Baukörper mit 4100m2 Bruttogeschossfläche. Im Haus selbst waren zwölf barrierefreie Wohnungen sowie 24 Einheiten für betreutes Wohnen vorgesehen. Im energetischen Konzept des Gebäudes orientierte man sich an der Notwendigkeit für eine dauerhafte Stabilität der Mietnebenkosten.

Durch einen hohen bauseitigen Wärmeschutz konnte die errechnete Heizlast über nur zwei Erdwärmepumpen mit jeweils 24kW Leistung und zwei je 1000l fassende Pufferspeicher abgedeckt werden. Der dafür notwendige Energielieferant findet sich dabei optimal platziert direkt unter dem Fundament des Gebäudekomplexes: 18 bis zu 80m tief in das Erdreich eingelassene Doppel-U-Sonden stellen so viel Erdwärme zur Raumbeheizung bereit, dass nur noch 25% als elektrische Antriebsenergie für die Erdwärmepumpen zugeführt werden müssen.

Die hohe Effizienz der Wärmeerzeugung mit möglichst reduzierter Zufuhr elektrischer Hilfsenergien führte dazu, dass bei der Planung des Neubaus die Frage der Warmwasserbereitung mit einer dezentralen Lösung beantwortet wurde. Alle 24 Wohneinheiten sind mit Durchlauferhitzern ausgestattet. Über die vollelektronische Leistungs- und Wassermengenregelung der VED E exclusiv-Geräte steht beim Öffnen der Zapfstellen unmittelbar Warmwasser auf Wunschtemperatur zur Verfügung, ohne dass es selbst bei großen Zapfmengen zu unkomfortablen Temperaturschwankungen kommt.

Im Gegensatz zur zentralen Warmwasserversorgung reduzierten sich damit außerdem nicht nur die Investitionskosten, sondern es wurde zugleich ein wichtiger Beitrag zum Erhalt der Trinkwassergüte geleistet: Unabhängig von der Intensität der Nutzung ist aufgrund der kurzen Leitungswege vom Warmwasserbereiter zur Zapfstelle das stagnierende Volumen gering. Zudem fallen die Betriebskosten niedriger aus, da im Gegensatz zur zentralen Versorgung auf eine Zirkulation mit permanenter Pumpenleistung verzichtet werden kann. Komplettiert wurde die Anlagentechnik durch eine auf dem Gebäudeflachdach montierte PV-Anlage mit 30kWp Leistung. Unter durchschnittlichen klimatischen Bedingungen des Standortes reicht das in etwa aus, um die elektrische Antriebsenergie für die Wärmepumpen abzudecken.

Dipl.-Kfm. Martin Schellhorn ist Fachjour­nalist und Inhaber der Fachpresseagentur ­Kommunikationsmanagement Schellhorn, 45721 Haltern am See, ­Telefon (0 23 64) 10 81 99, martin.schellhorn@die-agentur.sh, https://www.schellhorn-pr.de/