Effizienzkiller Zirkulation

Tipps und Hinweise für die Installation von Trinkwasser-Wärmepumpen und die Optimierung
des Zirkulationssystems in der Sanierung und im Neubau

IKZ Fachartikel

Nicht nur im Neubau, auch in der Sanierung können Trinkwasser-Wärmepumpen für Ein- und Zweifamilienhäuser eine gute Wahl sein.
So lässt sich beispielsweise die Trinkwassererwärmung von der Zentralheizung abkoppeln – damit kann der Heizkessel im Sommer
ausgeschaltet bleiben. Auch lässt sich eine Teilsanierung – bezogen rein auf die Warmwasserbereitung – realisieren. Etwa, wenn der
Trinkwasserspeicher der Ölheizung undicht ist, der Kessel aber erst einmal bleiben soll. Vorteilhaft ist insbesondere die Kombination
mit einer PV-Anlage, weil sich damit die Eigennutzung des selbst erzeugten Stroms erhöhen lässt. Bei der Wahl des Aufstellortes und
beim Betrieb sind aber einige Punkte zu beachten. Insbesondere, wenn eine Zirkulation vorhanden ist, sollte das Warmwassernetz
optimiert und hydraulisch einreguliert werden, ansonsten muss die Trinkwasser-Wärmepumpe unnötig oft nachheizen.

 

Die in Ein- und Zweifamilienhäusern typischen Trinkwasser-Wärmepumpen verfügen in der Regel über einen 250 bis 300-l großen Speicher. Die Wärmepumpe selbst ist darauf aufgesetzt und entzieht der Umgebungsluf Wärme. Dadurch kühlt der Raum um einige Kelvinrunter und wird zudem entfeuchtet. Alternativ kann auch Außenluf über Lufkanäle angesaugt und zur Trinkwassererwärmung genutzt werden. Je nach Temperaturprofl sind Jahresarbeitszahlen von 3 im ganzjährigen Mittel durchaus realistisch – wenn die Voraussetzungen für eine optimale  Betriebsweise stimmen. Die Herstellervogaben sind diesbezüglich unterschiedlich und unbedingt zu beachten. Grundsätzlich sollte der Aufstellraum ein Mindestvolumen von rund 20 m3  aufweisen, damit er nicht zu stark auskühlt und so die Efzienz der Trinkwasser-Wärmepumpe mindert. Heizungskeller oder Räume mit Wäschetrockner oder Kühl- und Gefriergeräten empfehlen sich ofmals als Aufstellort.

Wichtig: Fällt die Temperatur unter +7 °C, kann der Verdampfer bei einigen Modellen vereisen und er muss elektrisch aufgetaut werden. Das geht zu Lasten der Efzienz. Ebenfalls wichtig ist der Schallleistungspegel der Geräte: Mit Werten um die 50 dB(A) sind Trinkwasser-Wärmepumpen vergleichsweise so laut wie ein Kühlschrank. Direkt neben einem Schlafraum sollten sie also nicht aufgestellt werden.

 

PV-Strom clever nutzen und thermisch speichern
Vor- und Nachteil zugleich ist die relativ geringe Heizleistung der Wärmepumpe. Die Leistungsaufnahme typischer Geräte liegt bei 400 bis 600 Watt. Dementsprechend beträgt die Leistung je nach Zuluftemperatur zwischen 1,5 und 2 kW. Duschen oder baden mehrere Personen rasch hintereinander, so kann die Wiederaufladezeit bis zu 10 Stunden betragen. Die geringe Leistungsaufnahme ist aber in Kombination mit einer PV-Anlage ein großer Vorteil, schließlich lässt sich über den Tag verteilt der eigene Strom nutzen. Dank der heute in den meisten Geräten eingebauten Schnittstelle SG-Ready lässt sich das Temperaturniveau bei Überschussstrom von z. B. 55 °C auf 62 °C erhöhen. So lässt sich PV-Strom thermisch speichern.

 

Elementar ist in diesem Zusammenhang, dass der Warmwasserspeicher im Laufe des Tages nicht unnütz auskühlt – etwa über eine schlechte Dämmung oder eine schlecht- oder sogar ungeregelte Zirkulation (Schwerkraftzirkulation). Erfahrungen aus der Praxis belegen, dass insbesondere falsch installierte bzw. betriebene Zirkulationssysteme zu Lasten der Effizienz gehen. Sie erhöhen die Wärmeverluste im Rohrnetz, führen zu einer ungewollten Durchmischung des Warmwasserbereiters und letztlich zu einem häufigen Nachladen durch die Wärmepumpe. Bei Schwerkraftzirkulationen drohen aufgrund des geringen Volumenstroms außerdem hygienische Risiken. Die Temperatur der Zirkulation am Speichereintritt liegt nicht selten im Bereich < 45 °C. Legionellen können sich unter diesen Bedingungen stark vermehren.

Umgekehrt, wenn der Volumenstrom durch die Pumpe deutlich zu groß ist und damit auch die Fließgeschwindigkeit in der Zirkulationsleitung, droht bei Kupferinstallationen durch Materialabtrag eine Erosionskorrosion.

 

Wie kommt das?
Ein einfaches Beispiel soll die Zusammenhänge aufzeigen: In einem Ein- oder Zweifamilienhaus kommt man meist mit einem Zirkulationsstrang aus. Dementsprechend sind die erforderlichen Zirkulationsvolumenströme sehr gering. Doch viele Pumpen im klein(st)en Leisttungsbereichen sind gar nicht einstellbar. Bild 1 zeigt typische Pumpenkurven.

Auf der Y-Achse fndet sich die Förderhöhe (m) und auf der X-Achse der Volumenstrom (m³/h). Der Massenstrom auf der X-Achse ergibt sich aus der Anlagenhydraulik. Genau hier zeigt sich der erforderliche Handlungsbedarf, auch und insbesondere, wenn nur ein Zirkulationsstrang in dem
Gebäude verbaut wurde. Denn die erforderliche Massenstrombegrenzung kann nur durch ein Regelorgan, zum Beispiel ein Strangregulierventil, erreicht werden.
Das aber fndet man in der Praxis nur selten. Der überwiegende Teil der Zirkulationsleitungen in Ein- und Zweifamilienhäusern dürfe mit viel zu hohen Massenströmen betrieben werden. Mit den genannten negativen Folgen auf die Effzienz.

Um ein Gefühl zu bekommen, auf welche Werte (l/h) ein Zirkulationssystem eingestellt werden sollte, um effzient zuarbeiten, soll das folgende Beispiel dienen. Dazu sei vorab angemerkt: Zirkulationssysteme sind nach DIN 1988 bzw. nach dem Arbeitsblatt DVGW 553 zu dimensionieren. Für kleinere Objekte gibt es weiterhin ein vereinfachtes Verfahren. Unteranderem kann hier der notwendigen Volumenstrom ermittelt werden. Zuerst werden die Leitungslängen für Warmwasser und Zirkulation (PWH + PWH-C) ermittelt. Dabei kann mit Pauschalen gerechnet werden: Die Wärmeverluste für Kellerleitungen werden mit 11 W/m und für Steigleitungen mit 7 W/m Rohrlänge angenommen. Dabei wird zugrunde gelegt,
dass die Leitungen vorschrifsmäßig gedämmt sind. Unser zugrunde gelegtes Einfamilienhaus hat eine Warmwasserleitung mit 10 m Länge und eine Zirkulationsleitung ebenfalls von 10 m Länge. In Summe also 20 m Rohrleitungslänge; davon 8 m Kellerleitung (11 W/m) und 12 m Steigleitung (7 W/m).


Daraus ergibt sich ein Wärmeverlust von 172 W.

Bei einer zugrunde gelegten Spreizung von 3 Kelvin ergibt sich ein Volumenstrom von ca. 50 kg/h.

Übertragen wir diesen Wert in das Pumpendiagramm und legen dazu einen angenommenen Druckverlust von 30 mbar zugrunde, dann ergibt sich der in Bild 2 gezeigte Betriebspunkt der Zirkulationspumpe. Überdimensionierung mit fatalen Folgen Deutlich wird, dass sich durch das

fehlende Strangregulierventil der Volumenstrom bis zu Leistungsgrenze der Pumpe steigen kann – in unserem Beispiel bis auf 285 kg/h. Die Erhöhung des Volumen- Zirkulationsstroms um das 6-Fachebringt gleichsam eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Rohrsystem
mit sich – und damit deutlich höhere Wärmeverluste. Auch wird die Schichtung im Speicher zerstört und eine Anforderung über den WW-Fühler verfrüht an die Reglung weitergegeben.

 

Die Folge:

 

Die Wärmepumpe muss häufger nachheizen. Zudem besteht bei Kupferinstallationen die bereits genannte Gefahr von Erosionskorrosion. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit in Zirkulationsleitungen sollte deshalb bei ≤ 0,5m/s liegen.
Viele Fachhandwerker verlassen sich darauf, dass moderne Zirkulationspumpen thermostatisch und/oder über Zeitschaltuhr bedarfsgerecht geregelt werden. Das ist richtig und wichtig, doch hat dies keinen Einfuss auf die so wichtige Massenstrombegrenzung. Auch in kleineren Objekten ist der hydraulische Abgleich des Warmwasserzirkulationssystems unerlässlich. Ein Strangregulierventil oder Tacosetter sollte daher eine hochefziente Zirkulationspumpe stets ergänzen.

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